Rozdzial4, Chemia nieorganiczna i ogólna

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Podstawy Obliczeń Chemicznych
Autor rozdziału: Anna Dołęga
Rozdział 4. Stechiometria reakcji chemicznych
4.1. Równania reakcji chemicznych
4.2.
Typy reakcji chemicznych
4.2.1.
Reakcje chemiczne wymiany ligandów i protonów (reakcje przebiegające bez
wymiany elektronów)
4.2.2. Bilansowanie reakcji chemicznych przebiegających bez wymiany elektronów
4.2.3. Reakcje utleniania i redukcji (redoks)
4.2.4. Bilansowanie reakcji redoks
4.2.4.1. Dobieranie współczynników w reakcjach redoks metodą stopni utlenienia
4.2.4.2. Metoda równań połówkowych
4.2.4.3. Metoda algebraiczna (arytmetyczna)
4.3. Stechiometria reakcji chemicznych
4.3.1. Obliczenia ilości substratów i produktów na podstawie równań reakcji chemicznych
4.3.2. Obliczenia ilości substratów i produktów na podstawie równań reakcji chemicznych.
Reakcje równoległe. Reakcje mieszanin
4.3.3. Obliczenia ilości substratów i produktów na podstawie równań reakcji chemicznych.
Niestechiometryczne ilości reagentów
4.3.4. Obliczenia ilości substratów i produktów na podstawie równań reakcji chemicznych.
Wydajność reakcji
4.1 Równania reakcji chemicznych
Reakcja chemiczna to przemiana w wyniku której zostają rozerwane istniejące w
danym układzie wiązania chemiczne i/lub tworzą się nowe wiązania chemiczne. Rozrywaniu i
tworzeniu wiązań chemicznych towarzyszy wydzielanie lub pochłanianie energii przez
badany układ. Przemiany takie zapisujemy przy pomocy równań reakcji np.
SiS
2
+ 3O
2
= SiO
2
+ 2SO
2
SiS
2
+ 3O
2
→ SiO
2
+ 2SO
2
Równanie reakcji podaje jakie substancje chemiczne wchodzą w reakcję chemiczną i
jakie w jej wyniku powstają. Powyższy zapis odczytujemy: disiarczek krzemu reaguje z
tlenem tworząc (= lub → ) ditlenek krzemu i ditlenek siarki. Równanie zawiera również
informacje ilościowe i mówi nam, iż jedna cząsteczka disiarczku krzemu reaguje z trzema
cząsteczkami tlenu tworząc jedną cząsteczkę dwutlenku krzemu i dwie cząsteczki dwutlenku
siarki lub jeden mol dwusiarczku krzemu reaguje z trzema molami tlenu tworząc jeden mol
dwutlenku krzemu i dwa mole dwutlenku siarki. Stosunek liczby moli określa nam również
stosunek wagowy reagujących substancji. Substancje, które wchodzą ze sobą w reakcję i są
zapisane w równaniu po lewej stronie (przed znakiem równości) nazywamy
substratami
reakcji. Substancje, które powstają w wyniku reakcji nazywamy
produktami
reakcji. W
przykładzie pierwszym dwusiarczek krzemu i tlen to substraty reakcji a dwutlenek krzemu i
dwutlenek siarki to jej produkty. Substraty i produkty reakcji chemicznej nazywane są też
reagentami.
4.2 Typy reakcji chemicznych
Reakcje chemiczne można podzielić na
reakcje wymiany ligandów, reakcje
wymiany protonów
oraz
reakcje
, w których następuje
przeniesienie elektronów
między
reagentami inaczej
reakcje
utleniania i redukcji (redoks)
. Zostaną one omówione
oddzielnie w kolejnych podrozdziałach ze względu na różnice w sposobie bilansowania
równań. Inne rodzaje klasyfikacji reakcji chemicznych nie będą omawiane.
4.2.1. Reakcje chemiczne wymiany ligandów i protonów (reakcje przebiegające bez
wymiany elektronów)
Poniżej przedstawiono kilka przykładów:
•
Reakcje wytracania osadów np.:
Pb(NO
3
)
2
(aq) + 2KI(aq) = PbI
2
(s) + 2KNO
3
(aq)
- 2 -
Symbole w nawiasach oznaczają fazę substancji: (aq) w wodnym roztworze,
(s) stała, (g) gaz (l) ciecz. Siłą napędową powyższej reakcji jest wytrącanie w
roztworze osadu trudno rozpuszczalnej soli, jaką jest jodek ołowiu(II). Po zmieszaniu
dwóch klarownych bezbarwnych roztworów azotanu ołowiu(II) i jodku potasu - obie
te sole dobrze rozpuszczają się w wodzie- obserwujemy zmętnienie roztworu i
wytrącanie intensywnie żółtego osadu.
•
Tworzenie słabo zdysocjowanego elektrolitu w tym reakcje zobojętniania np.:
HNO
3
(aq) + NaOH(aq) = NaNO
3
(aq) + H
2
O(l)
Na
2
S(aq) + 2HCl(aq) = 2NaCl(aq) + H
2
S(g)
W pierwszej reakcji tworzy się praktycznie niezdysocjowany produkt, jakim
jest woda. Na ogół, jeżeli reakcja zachodzi w roztworach rozcieńczonych, to nie
obserwuje się objawów reakcji chyba, że tak jak w drugim z przytoczonych
przykładów powstają w niej produkty gazowe. Wydzielający się siarkowodór jest
gazem o bardzo charakterystycznym, nieprzyjemnym zapachu.
•
Reakcje kompleksowania.
AgCl(s) + 2NH
3
(aq) = Ag(NH
3
)
2
Cl(aq)
W reakcji powyższej powstaje jon kompleksowy Ag(NH
3
)
2
+
składający się z
jonu centralnego Ag
+
oraz otaczających go ligandów - cząsteczek amoniaku. Na
skutek tworzenia chlorku diaminasrebra nierozpuszczalny w wodzie biały osad
chlorku srebra roztwarza się w rozcieńczonych roztworach amoniaku.
•
Niektóre reakcje syntezy i rozkładu (analizy) np.:
NH
4
Cl(s) = NH
3
(g) +HCl(g)
NaOH(s) + CO
2
(g) = NaHCO
3
(s)
Wiele z powyższych reakcji to reakcje przebiegające w roztworze wodnym między
jonami. Ważna jest wobec tego umiejętność zapisywania ich w formie jonowej co najlepiej
oddaje istotę reakcji. Pierwsza z przytoczonych reakcji została zapisana poniżej w formie
jonowej:
Pb
2+
(aq) + 2NO
3
−
(aq) + 2K
+
(aq) + 2I
−
(aq) = PbI
2
(s) + 2K
+
(aq) + 2NO
3
−
(aq)
Po przeanalizowaniu tego zapisu stwierdzamy, iż część jonów pozostaje w
niezmienionej formie po obu stronach równania, zatem nie biorą one udziału w reakcji. W
języku angielskim noszą one nazwę „spectator ions” co można przetłumaczyć jako „jony
widzowie”. Nie uczestniczą one bezpośrednio w reakcji. Po wykreśleniu jonów „widzów” po
- 3 -
obu stronach równania reakcji otrzymujemy zapis jonowy, dobrze ilustrujący istotę
zachodzącego procesu:
Pb
2+
(aq) + 2NO
3
−
(aq) + 2K
+
(aq) + 2I
−
(aq) = PbI
2
(s) + 2K
+
(aq) + 2NO
3
−
(aq)
Pb
2+
(aq) + 2I
−
(aq) = PbI
2
(s)
4.2.2. Bilansowanie reakcji chemicznych przebiegających bez wymiany elektronów
Równanie reakcji chemicznej może służyć do ilościowych rozważań dopiero wtedy,
gdy jest zbilansowane.
Zbilansowanie równania oznacza doprowadzenie do równości
liczby poszczególnych rodzajów atomów po obu stronach równania. Jeżeli mamy do
czynienia z zapisem jonowym należy doprowadzić również do wyrównania
sumarycznego ładunku obu stron równania.
W przypadku reakcji nieredoksowych
bilansowanie równania na ogół nie nastręcza trudności. Można to wykonać intuicyjnie lub
zastosować schemat postępowania przedstawiony poniżej.
Przykład 4.1. Bilansowanie równania reakcji podwójnej wymiany
Zbilansuj podane równanie reakcji chemicznej: BaCl
2
+ H
3
PO
4
= Ba
3
(PO
4
)
2
+ HCl
Rozwiązanie.
1.
Pierwszym etapem jest zbilansowanie
atomów metali
po obu stronach równania:
3
BaCl
2
+ H
3
PO
4
= Ba
3
(PO
4
)
2
+ HCl
2.
Kolejny etap to zbilansowanie
atomów
niemetali
innych niż tlen i wodór:
3BaCl
2
+
2
H
3
PO
4
= Ba
3
(PO
4
)
2
+
6
HCl
3.
Następnie sprawdzamy kolejno liczbę atomów
wodoru
i
tlenu
. W rozważanym
przykładzie liczby te są już uzgodnione.
3BaCl
2
+ 2H
3
PO
4
= Ba
3
(PO
4
)
2
+ 6HCl
4.
W razie potrzeby powtarzamy sprawdzanie od początku.
Przykład 4.2. Bilansowanie równania reakcji podwójnej wymiany
Zbilansuj podane równanie reakcji chemicznej: Cr(OH)
3
+ H
2
SO
4
= Cr
2
(SO
4
)
3
+ H
2
O
Rozwiązanie:
1.
2
Cr(OH)
3
+ H
2
SO
4
= Cr
2
(SO
4
)
3
+ H
2
O
2.
2Cr(OH)
3
+
3
H
2
SO
4
= Cr
2
(SO
4
)
3
+ H
2
O
3.
2Cr(OH)
3
+ 3H
2
SO
4
= Cr
2
(SO
4
)
3
+
6
H
2
O
4.
KONIEC
- 4 -
4.2.3. Reakcje utleniania i redukcji (redoks)
W reakcjach tego typu mamy do czynienia z faktycznym lub tylko formalnym
przeniesieniem ładunku (elektronów) między atomami.
-3
+1
0
+2
-2
+1
-2
4NH
3
+ 5O
2
= 4NO + 6H
2
O
Powyższe równanie reakcji przedstawia katalizowane przez platynę spalanie amoniaku
z utworzeniem tlenku azotu i wody. Mamy tu do czynienia z przeniesieniem ładunków
ujemnych (elektrony) z atomów azotu na atom tlenu. W wyniku reakcji tworzą się wiązania
kowalencyjne spolaryzowane. Elektrony tworzące te wiązania są przesunięte w stronę atomu
bardziej elektroujemnego, czyli tlenu. Należy jednak pamiętać, iż w wyniku reakcji nie
tworzą się naładowane jony, co mógłby sugerować zapis stopni utlenienia, (liczby zapisane
kursywą powyżej atomów).
Stopnie utlenienia definiuje się jako ładunki, które posiadałyby atomy wchodzące
w skład związku chemicznego, gdyby następowało całkowite przeniesienie elektronów
walencyjnych z atomu mniej elektroujemnego na bardziej elektroujemny
.
Stopnie utlenienia są przypisywane atomom zgodnie z regułami, które będą
przedstawione w kolejnym rozdziale.
Mówimy, że związek, w którym znajduje się atom zwiększający stopień utlenienia
wskutek reakcji ulega
utlenieniu.
Utlenianie jest zatem zwiekszaniem stopnia utlenienia.
Związek ulegający utlenieniu nazywamy
reduktorem
. Związek, w którym znajduje się atom
zmniejszający stopień utlenienia na skutek reakcji, ulega
redukcji
(redukcja - zmniejszanie
stopnia utlenienia). Związek ulegający redukcji jest jednocześnie utleniaczem, gdyż powoduje
utlenienie partnera reakcji. W podanym wyżej przykładzie reduktorem jest amoniak a
utleniaczem jest tlen. Jak widać reakcja utlenienia jest ściśle powiązana z reakcją redukcji i
zachodzą one równolegle w tym samym czasie. Możliwe jest fizyczne rozdzielenie reakcji
utlenienia od reakcji redukcji - dzieje się tak w ogniwach chemicznych.
4.2.4. Bilansowanie reakcji redoks
Bilansowanie reakcji redoks jest na ogół bardziej pracochłonne niż bilansowanie
reakcji zachodzących bez wymiany elektronów, gdyż obok reakcji zupełnie prostych takich
jak:
C + O
2
= CO
2
pojawiają się tu reakcje bardzo złożone z wysokimi współczynnikami stechiometrycznymi
np.:
- 5 -
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Rozdzial4, Chemia nieorganiczna i ogólna

Tematy