Varför sker kemiska reaktioner?
När två molekyler kommer i närheten av varandra kommer deras elektronskal i kontakt med varandra. Tidigare bindningar mellan atomer bryts och nya bindningar uppstår.
Vid energitillförsel reagerar t.ex. vätemolekyler med syrgas-molekyler och vatten bildas. H2 + O2 –> H2O + O. Den fria syreatomen reagerar lätt med en vätemolekyl och en vattenmolekyl bildas. H2 + O –> H2O.
Summan av reaktionerna blir alltså : 2 H2 + O2 –> 2 H2O .
För att en kemisk reaktion skall starta krävs som regel tillskott av en viss energimängd, s.k. viss aktiveringsenergi. Vid temperaturökning ökar molekylernas hastighet och chansen för reaktioner med andra molekyler ökar. Vissa ämnen kan sänka reaktioners aktiveringsenergi så att reaktioner lättare startar. Sådana ämnen kan kallas katalysatorer. I kroppen kan de kallas enzymer. Själva katalysatorn underlättar alltså reaktionen men förbrukas inte. Vissa reaktioner kan när de väl startat fortlöpa av sig själv och utveckla energi, t.ex. i form av en explosion. Sådana reaktioner kan kallas exoterma. Reaktionen mellan väte och syre som beskrivits här ovan är en typisk exoterm reaktion. Andra reaktioner kräver ständig energitillförsel för att kunna ske. Dessa reaktioner kallas endoterma.
Reduktion och oxidation
När klor reagerar med natrium tar varje kloratom upp en elektron från natrium och blir en kloridjon. Man säger att kloratomen reducerats till en kloridjon. Att uppta elektroner innebär alltså en reduktion. ( Cl + e – –> Cl – ). Man kan även säga att en reduktion innebär att en atoms eller en jons laddningstal blir relativt sett mindre positiv pga. upptagandet av elektroner. En atoms laddningstal är ju noll eftersom antal protoner i kärnan är lika stort som antalet elektroner i elektronskalen.
Reaktionen ovan kan då skrivas så här : Cl 0 + e – –> Cl -1 .
Motsatsen till reduktion är en oxidation. I reaktionen mellan klor och natrium avger varje natriumatom en elektron till varje kloratom. Oxidation innebär alltså att elektroner avges från en atom eller jon vilken då blir relativt sett mer positiv. Exempel : Na 0 –> Na + + e – . Vid kemiska reaktioner åtföljs varje reduktion samtidigt av en oxidation eftersom den ena atomen upptar elektron(er) och den andra atomen samtidigt måste avge elektron(er). Reaktionen kan alltså kallas en redoxreaktion.
Galvanisk reaktion
Om en zinkplåt ställs i en bägare som innehåller en lösning med kopparjoner (Cu 2+ ) startar en kemisk reaktion. Detta syns genom att den blå färgen som finns först pga. kopparjonerna gradvis försvinner och att zinkplåten får en brun beläggning av kopparatomer. En exoterm redoxreaktion med värmeutveckling har inträffat. Reaktionen kan skrivas :
Cu 2+ + 2 e – –> Cu 0 Kopparjoner reduceras till kopparatomer
Zn 0 –> Zn 2+ + 2 e – Zinkatomer oxideras til zinkjoner
Om man skulle ställa plåtbleck av de två metallerna zink och koppar i en jonlösning av t.ex. svavelsyra och dessutom förbinda metallerna med ledningstråd (eller voltmeter) kommer ett s.k. galvaniskt element att uppstå. Reaktionsförloppet är detsamma som i formlerna ovan. Av de två metallerna zink och koppar bildar zink lättare joner i lösningen. Man kan säga att zink är den oädlare metallen. Zinkatomerna avger alltså elektroner och bildar zinkjoner (Zn 2+ ). Elektroner som stannar kvar i zinkblecket ger zinkblecket negativ laddning dvs. zinkblecket blir minuspol, katod. Även det ‘ädlare’ kopparblecket bildar joner, kopparjoner, dock i mindre grad, som går ut i lösningen. Elektronöverskottet vid det negativa zinkblecket gör att elektroner kan vandra via ledningstråden till den relativt sett positivare kopparplåten (anod) och där avlämna elektroner.
Dessa elektroner upptas av de kopparjoner som finns vid kopparblecket och kopparatomer bildas som fälls ut på kopparblecket. Vid zinkblecket sker alltså en oxidation av zink medan det vid kopparblecket sker en reduktion av kopparjoner. Den exoterma reaktionen ger alltså energi i form av elektrisk spänning. Genom att dela upp de båda metallpolerna i skilda behållare med jonlösningar och dessutom skapa en s.k. saltbrygga mellan polerna kan ett ännu effektivare galvaniskt element skapas. (Saltbryggan hjälper till med elektrontransport till zinkpolen (elektroden) så att en sluten strömkrets uppstår lättare). Ett vanligt batteri fungerar alltså enligt principen för ett galvaniskt element. Det behövs alltså två olika poler, en oädlare och en ädlare och en jonlösning.
Metallernas spänningsserie och galvanisk korrosion
Metallerna kan ordnas i en s.k. spänningsserie med de oädlaste metallerna först och de ädlaste sist. Dessutom brukar ickemetallen väte placeras in i serien. Här visas några metaller i en förenklad spänningsserie :
Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Au
Metaller (oädlare) till vänster om väte sägs vara ätgasutdrivande. Störst spänningsskillnad och effekt i ett galvaniskt element skulle alltså i detta fall fås genom att använda zink som den ena polen (blir negativ, katod) och guld (Au) som den andra polen (blir positiv, anod). Om ett koppartak spikas fast med t.ex. järnspik kan i fuktigt miljö galvaniska element skapas. Den oädlare metallen, järn i spiken, bildar lättare joner och löses upp. Detta kallas galvanisk korrosion (metall ‘rostar’).
