Reaktioyhtälö

Reaktioyhtälö on kemiallisiin merkkeihin ja kaavoihin perustuva kemiallisten reaktioiden merkitsemistapa, johon on merkitty vasemmalle puolelle reaktion lähtöaineet ja oikealle puolelle reaktiotuotteet. Lisäksi reaktioyhtälöön merkitään kertoimet, jotka osoittavat, missä suhteissa eri aineiden molekyylejä tai ioneja reaktioon osallistuu. Hieman muunnetussa muodossa reaktioyhtälöitä käytetään myös ydinreaktioiden kuvaamiseen.

Reaktioyhtälön muotoilu

Kemiallisen reaktioyhtälön muodostavat toisaalta lähtöaineiden, toisaalta reaktiotuotteiden kemialliset kaavat. Reaktioyhtälöön merkitään nuoli, joka erottaa toisistaan lähtöaineiden ja reaktiotuotteiden kaavat. Reaktionuolia on käytössä useita. Yhteen suuntaan etenevää reaktiota kuvataan yksisuuntaisella nuolella (→), olosuhteista riippuen kumpaan tahansa suuntaan tapahtuvaa reaktiota kuvataan kahdella vastakkaisuuntaisella nuolella ja tasapainoreaktion tapauksessa käytetään kaksisuuntaista puolinuolta ($\rightleftharpoons$). Kaksipäistä nuolta (↔) käytetään reaktiomekanistisissa esityksissä kuvaamaan elektronien delokalisaatiota. Jos lähtöaineita ja/tai reaktiotuotteita on useita, niiden väliin kirjoitetaan plus-merkki (+).

Esimerkiksi reaktio, jossa kaksiatominen vetymolekyyli ja happiatomi yhtyvät muodostaen vettä, voitaisiin merkitä näin:

H₂ + O → H₂O

missä H tarkoittaa vetyä ja O happea. Happea ei kuitenkaan juuri esiinny luonnossa yksiatomisena vaan kaksiatomisina molekyyleinä O₂. Yksi H₂- ja yksi O₂-molekyyli eivät kuitenkaan voi reagoida muodostaen vesimolekyyliä, koska tällöin happiatomien lukumäärä ei säilyisi. Tämän vuoksi reaktioyhtälö on tasapainotettava jäljempänä selostetulla tavalla.

Reaktioyhtälöissä kemiallisten kaavojen jälkeen merkitään usein myös suluissa aineiden olomuodot, jolloin (s) tarkoittaa kiinteää ainetta, (l) nestettä, (g) kaasua ja (aq) veteen liuennutta ainetta.

Reaktioyhtälön tasapainottaminen

Toisin kuin ydinreaktioissa, kemiallisissa reaktioissa alkuaineet eivät muutu toisiksi alkuaineiksi, vaan jokaisen alkuaineen lukumäärä säilyy. Myös mahdollisten sähkövarausten kokonaismäärä säilyy. Tämän vuoksi kemiallisiin reaktioyhtälöihin merkitään yhdisteiden kaavojen eteen kertoimet, jotka osoittavat, missä suhteessa eri aineiden molekyylejä osallistuu reaktioon.

Koska esimerkiksi happi ja vety esiintyvät molemmat kaksiatomisina molekyyleinä, tarvitaan kaksi vetymolekyyliä, jotta ne voisivat reagoida yhden happimolekyylin kanssa muodostaen vettä, ja tällöin syntyy kaksi vesimolekyyliä. Niinpä tämän reaktion yhtälö on kirjoitettava muotoon:

2 H₂ + O₂ → 2 H₂O

Tällä tavoin yhtälö on tasapainotettu, sillä sen molemmilla puolilla on yhteensä neljä vety- ja kaksi happiatomia.

Vastaavasti metaanin (CH₄) palamisen reaktioyhtälö on

CH₄ + 2 O₂ → CO₂ + 2 H₂O

Tämä osoittaa, että yhden metaanimolekyylin palamiseen tarvitaan kaksi molekyyliä happea, ja tällöin syntyy yksi molekyyli hiilidioksidia (CO₂) ja kaksi molekyyliä vettä (käytännössä vesihöyryä, H₂O(g). Reaktioyhtälön molemmilla puolilla on yksi hiili- (C), neljä vety- (H) ja neljä happiatomia (O).

Reaktioyhtälöiden kertoimet voivat olla suurempiakin, niinpä esimerkiksi valkoisen fosforin (P₄) palamisen reaktioyhtälö on

P₄ + 5 O₂ → 2 P₂O₅

Monimutkaisempienkin reaktioiden kertoimet voidaan laskea lineaaristen yhtälöryhmien avulla.

Ionireaktiot

Monet aineet, ioniyhdisteet, koostuvat positiivisista ja negatiivisista ioneista, jotka liuoksissa esiintyvät toisistaan erillisinä. Tällöin monissa reaktioissa vain ionit reagoivat keskenään ja voivat esimerkiksi muodostaa saostumia, jos eri aineiden liuoksia sekoitetaan keskenään. Jos esimerkiksi kalsiumkloridi- ja hopeanitraattiliuokset sekoitetaan, syntyy hopeakloridia, joka saostuu, koska se ei liukene veteen. Jos aineiden ioniluonnetta ei oteta huomioon, reaktioyhtälö on seuraava:

CaCl₂(aq) + 2AgNO₃(aq) → Ca(NO₃)₂(aq) + 2AgCl(s)

Koska kyseessä kuitenkin ovat ioniyhdisteet, tässä esiintyvät liuenneiden aineiden kaavat korvataan usein vastaavien ionien kaavoilla, jolloin reaktioyhtälö kokonaisuudessaan on:

Ca²⁺ + 2Cl⁻ + 2Ag⁺ + 2NO₃⁻ → Ca²⁺ + 2NO₃⁻ + 2AgCl(s)

Kun kuitenkaan kalsium- (Ca²⁺) ja nitraatti-ionit (NO₃³⁺) eivät muutu reaktiossa miksikään, ne voidaan jättää reaktioyhtälöstä pois, jolloin se saa muodon:

2Cl⁻(aq) + 2Ag⁺(aq) → 2AgCl(s)

mikä voidaan esittää myös supistetussa muodossa:

Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl(s)

Happojen liuoksissa esiintyy oksoniumioneja (H₃O⁺) ja emästen liuoksissa hydroksidi-ioneja (OH⁻). Vahvana happona esimerkiksi vetykloridi (suolahappo) ei esiinny vesiliuoksessa HCl-molekyyleinä, vaan se reagoi veden kanssa seuraavasti:

HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻

Jos ionien muodostumista ei oteta huomioon, vetykloridin ja natriumhydroksidin välinen neutraloituminen voidaan esittää seuraavalla reaktioyhtälöllä:

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

Ionireaktiona vastaava reaktioyhtälö on kuitenkin

H₃O⁺ + Cl⁻ + Na⁺ + OH⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + H₂O,

tai koska natrium- ja kloridi-ionit eivät osallistu reaktioon, se voidaan lyhentää muotoon

H₃O⁺ + OH⁻ → 2 H₂O.

Koska protoni kuitenkin on vain löyhästi kiinni oksoniumionissa, reaktioyhtälöissä on usein tapana korvata se vetyionilla, jolloin vastaava yhtälö saa muodon

H⁺ + OH⁻ → H₂O

Tämä yhtälö kuvaa minkä tahansa hapon ja emäksen neutraloitumista vesiliuoksessa.

Reaktioyhtälöt ydinfysiikassa

Samaan tapaan kuin kemiassa, käytetään reaktioyhtälöitä myös ydinfysiikassa kuvaamaan ydinreaktioita. Tällöin kuitenkin alkuaineet muuttuvat toisiksi alkuaineiksi, mutta nukleonien kokonaislukumäärä ja sähkövaraus säilyvät. Koska samankin alkuaineen eri isotoopit käyttäytyvät ydinreaktioissa eri tavalla, on niiden massaluvut aina merkittävä alkuaineen kemiallisen merkin edelle. Usein merkitään lisäksi alkuaineen järjestysluku eli protonien lukumäärä massaluvun alle.

Niinpä esimerkiksi radium-226 merkitään joko ²²⁶Ra tai ²²⁶₈₈Ra. Sen alfahajoamista esittää reaktioyhtälö:

²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn + ⁴₂He

Tässä sekä järjestys- että massalukujen summa on kummallakin puolella sama, koska protoni ei muutu neutroniksi eikä päinvastoin. Sen sijaan beetahajoamisessa yksi ytimen neutroneista hajoaa protoniksi sekä elektroniksi ja antineutriinoksi, josta kaksi jälkimmäistä poistuvat ytimestä. Esimerkiksi radiohiilen (hiili-14:n) beetahajoamisen reaktioyhtälö on

¹⁴₆C → ¹⁴₇N + e⁻ + ν

Aiheesta muualla

• Chemical Equation Balancer, reaktioyhtälöiden tasapainotusohjelma
• Classic Chembalancer, tietoa reaktioyhtälöiden tasapainottamisesta
• Online calculator, laskinohjelma reaktioyhtälön kertoimien laskemiseksi