Przemiany/Reakcje chemiczne

Transkrypt

1 Przemiany/Reakcje chemiczne

2 Przemiany/Reakcje chemiczne Reakcje chemiczne są to takie przemiany, w wyniku których z jednych substancji powstają inne substancje, o zupełnie odmiennych właściwościach fizycznych i chemicznych. Substancje wchodzące w reakcje chemiczne noszą nazwę substratów. Substancje, które powstają w czasie reakcji chemicznych noszą nazwę produktów. Równanie reakcji chemicznej - zapis przebiegu procesu chemicznego za pomocą symboli pierwiastków chemicznych i wzorów związków chemicznych. Równanie reakcji chemicznej jest bardzo podobne do zwykłego równania matematycznego.

3 REAKCJA CHEMICZNA Proces, w którym z cząsteczek, atomów lub jonów substancji wyjściowych (substratów) powstają cząsteczki, atomy lub jony produktów. A+ B = C+D substraty produkty

4 Typy reakcji chemicznych 1. Kierunek przemiany (syntezy, rozkładu,wymiany) 2. Efekt energetyczny ( egzo- oraz endotermiczne) 3. Liczba faz układu (homo- oraz heterogeniczne) 4. Przeniesienie elektronów (oksydacyjno-redukcyjne) 5. Charakter indywiduów chem. (jonowe, cząsteczkowe, rodnikowe) 6. Stan rownowagi (odwracalne oraz nieodwracalne) 7. Inne

5 Przemiany chemiczne rozpatruje się w dwóch aspektach: statycznym i kinetycznym Aspekt statyczny czyli zapis przemiany chemicznej w postaci równania z uwzględnieniem zależności molowych wynikających z podstawowych praw chemii, czyli prawa stałości składu i zachowania masy. Interpretacja kinetyczna dotyczy zagadnień związanych z przebiegiem reakcji, czyli jej szybkością, stanem równowagi reakcji i możliwością wpływania na przesunięcie równowagi reakcji. Równowaga statyczna to stan, w którym procesy chemiczne nie zachodzą, a stężenia reagentów nie zmieniają się w czasie. Równowaga dynamiczna to stan, w którym zachodzą przemiany chemiczne, jednak tyle samo substratów przechodzi w produkty, co produktów w substraty. W stanie równowagi dynamicznej szybkość reakcji danej oraz reakcji do niej przeciwnej są sobie równe, a stężenia reagentów ustalają się wówczas na stałym poziomie.

6 Reakcje odwracalne i nieodwracalne Teoretycznie prawie każda reakcja jest odwracalna jeśli zachodzi w odpowiednich warunkach. Reakcje w układach otwartych, w których jeden z produktów opuszcza środowisko reakcji są praktycznie nieodwracalne. Za reakcje nieodwracalne uważa się takie, w których co najmniej 99% substratów ulega przemianie. To, że reakcja jest nieodwracalna można przewidzieć za pomocą jej objawów, mianowicie: powstaje nierozpuszczalny produkt (wytrącenie osadu) wydziela się gaz powstaje słabo zdysocjowany produkt np. woda w reakcji zobojętniania Reakcje odwracalne - powstałe w reakcji produkty reagują z sobą odtwarzając substraty (reakcja odwrotna) W tego typu równaniach reakcji stosuje się strzałki dwustronne lub dwie strzałki o przeciwnych kierunkach. Reakcję biegnącą w prawo nazywa się prostą, zaś w lewo odwrotną.

7 Ta sama reakcja, w zależności od warunków jej prowadzenia może przebiegać w sposób odwracalny lub praktycznie nieodwracalny. W zwykłych warunkach iskra elektryczna inicjuje w mieszaninie wodoru i tlenu reakcję wybuchową syntezy wody: 2H2 O2 2H2O W temperaturze ok o C zachodzi reakcja odwrotna: 2H O 2H Przykłady reakcji praktycznie nieodwracalnych 2 2 O2 Reakcje jonowe przebiegające z wytrąceniem bardzo trudno rozpuszczalnego osadu np.; Ag Cl AgCl Niektóre reakcje syntezy: 2Mg O 2 2MgO Reakcje w których produktem jest gaz opuszczający środowisko reakcji: CaCO3 2HCl CaCl2 H2O CO2 Reakcje przebiegające z wytworzeniem produktu trudno dysocjującego: H2SO4 2NaOH Na 2SO4 2H2O

8 Ogólny zapis równania reakcji chemicznej Najczęściej substraty zapisujemy po lewej, a produkty po prawej stronie równania. Jeśli produkty reagują ze sobą, tworząc z powrotem substraty, to mówimy że reakcja jest odwracalna. Substraty i produkty to reagenty.

9 Zasady pisania reakcji chemicznych Lewa strona równania reakcji musi się równać stronie prawej - pod względem liczby poszczególnych pierwiastków -pod względem wypadkowego ładunku elektrycznego Fe OH - = Fe(OH) 3 Ładunek elektryczny strony lewej: +3 + (-3) = 0 Ładunek elektryczny strony prawej: 0 = 0 Ładunek elektryczny strony lewej = ładunkowi strony prawej 0=0 Strona lewa strona prawa Fe = 1 Fe = 1 O = 3 O = 3 H = 3 H = 3 L = P

10 W czasie reakcji spalania magnezu (rys.1), z dwóch substancji : tlenu, który jest bezbarwnym gazem i występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych, magnezu, który jest metalem, barwy srebrzystoszarej, o stałym stanie skupienia i występuje w postaci atomowej, powstaje tlenek magnezu ciało stałe, barwy białej, zupełnie nie przypominające substancji wziętych do reakcji chemicznej. O 2 MgO Mg Rys. 1 Spalanie magnezu

11 Typy reakcji chemicznych: 1.Reakcja syntezy jest reakcją, w której z dwu lub kilku substancji prostszych powstaje jedna substancja bardziej złożona według schematu: Słowny opis przebiegu reakcji: azot + wodór amoniak Modelowe przedstawienie przemiany + H H H N N H H H H H N H H H H H H H N H Równanie reakcji chemicznej N H 2 2 NH 3

12 2. Reakcja analizy jest przemianą, w której z jednej substancji złożonej powstaje dwie lub kilka substancji prostszych. Analiza jest odwrotnością reakcji syntezy. Słowny opis przebiegu reakcji: tlenek magnezu Modelowe przedstawienie reakcji: magnez + tlen Mg O Mg + O O Mg O Mg Równanie reakcji chemicznej 2 MgO 2 Mg + O 2

13 3. Reakcja wymiany jest najczęściej spotykanym typem reakcji. W procesie tym następuje wymiana składników pomiędzy substancjami reagującymi. Wyróżnia się reakcje wymiany: pojedynczej, podwójnej. Wymiana pojedyncza A + BC Kierunek reakcji AC + B Zn + 2HCl ---> ZnCl 2 + H 2 Wymiana podwójna 2K + 2H 2 O ---> 2KOH + H 2 AB + CD Kierunek reakcji AC + BD MgSO 4 + Na 2 CO 3 ---> MgCO 3 + Na 2 SO 4 H 2 SO 4 + Ca(OH) 2 ---> CaSO 4 + 2H 2 O

14 Modelowe przedstawienie przebiegu reakcji wymiany pojedynczej Mg + H H Cl Cl Mg Cl Cl + H H Słowny zapis reakcji wymiany pojedynczej: magnez + chlorowodór chlorek magnezu + wodór Równanie chemiczne Mg + 2HCl MgCl 2 + H 2

15 Modelowe przedstawienie przebiegu reakcji wymiany podwójnej O H Mg + H O H H Cl Cl M g Cl Cl + O H H O H H Słowny zapis reakcji wymiany podwójnej: wodorotlenek magnezu + chlorowodór chlorek magnezu + woda Równanie chemiczne Mg(OH) 2 + 2HCl MgCl H 2 O

16 REAKCJE UTLENIANIA I REDUKCJI Szczególnym przypadkiem reakcji wymiany są reakcje utleniania i redukcji. Reakcja tlenku miedzi (II) z wodorem przebiega zgodnie ze schematem:

17 Schemat 1 W reakcji (schemat 1) wodór odebrał tlen z tlenku miedzi (II) i połączył się z nim tworząc tlenek wodoru, czyli wodę. Taka reakcja nosi nazwę reakcji utleniania- redukcji. Utlenianie to przyłączanie tlenu do pierwiastka chemicznego (wodór się utlenił). Proces odwrotny to redukcja, czyli odłączanie tlenu. Tlen został odłączony od miedzi, czyli miedź uległa redukcji.

18 Inne przykłady reakcji utleniania- redukcji Schemat 2 Podział reakcji chemicznych ze względu na zachowanie wobec tlenu Utlenianie reduktor nie zawiera tlenu i może go przyjąć Redukcja utleniacz ma tlen i może go oddać

19 Reakcje syntezy, analizy i wymiany krótkie podsumowanie Syntezy (łączenia) Wymiany pojedynczej A + B AB AB + C A + BC na przykład 2 Mg + O 2 2 MgO 2 substraty 1 produkt Mg + H 2 O MgO + H 2 2 substraty 2 produkty Analizy (rozkładu) AB A + B 2 Ag 2 O 4 Ag + O 2 1 substrat 2 produkty Wymiany podwójnej AB + CD AD + BC 2 NaOH + CusO 4 Na 2 SO 4 + Cu(OH) 2 2 substraty 2 produkty

20 W czasie reakcji chemicznych obserwujemy; powstawanie nowych cząstek (atomów, jonów lub cząsteczek) o innej strukturze niż cząstki wyjściowe, przebudowę wiązań chemicznych, przemianę jednych substancji w inne, o nowych właściwościach, efekty cieplne związane ze zmianą stanu energetycznego

21 Cechy reakcji chemicznych Prawo zachowania masy Przebieg w określonych stosunkach ilościowych i prawo stałości składu Określony efekt energetyczny Określona szybkość

22 A. Prawo zachowania masy W układzie zamkniętym masa substratów wchodzących w reakcję chemiczną równa jest masie jej produktów, czyli masa substancji biorących udział w reakcji chemicznej nie zmienia się. Jeżeli masy substratów A i B oznaczymy jako m A i m B, zaś masy produktów C i D jako m C i m D, to zachodzi równość: A B C D m A m Z prawem zachowania masy wiąże się konieczność bilansowania równań reakcji chemicznych, czyli dobierania współczynników stechiometrycznych w taki sposób, aby liczba (ilość moli) atomów danego pierwiastka po obu stronach równania była taka sama. B m C m D W świetle prawa równoważności masy i energii (E = mc 2 ) prawo zachowania masy nie jest ściśle spełnione. Jednakże podczas reakcji chemicznych wymieniane ilości energii są na tyle małe, że zmiana masy układu nie jest wykrywalna standardowymi metodami, stąd przyjmuje się stałość masy układu reakcyjnego.

23 B1. Stosunek ilościowy reagentów Substancje reagują ze sobą w ściśle określonym stosunku ilościowym zwanym stosunkiem stechiometrycznym Zasada stechiometrii: w reakcji chemicznej ilość jednego reagenta określa ilości wszytskich pozostałych reagentów

24 B2. Prawo stałości składu (prawo stałych stosunków wagowych) Stosunek ilości wagowych (mas) pierwiastków wchodzących w skład danego związku chemicznego jest zawsze stały i charakterystyczny dla tego związku. Wynika z niego że: - każdy związek chemiczny ma ściśle określony i zawsze stały skład chemiczny. -pierwiastki reagują ze sobą w ściśle określonych stosunkach mas ( stosunku wagowym). W przeciwieństwie do mieszanin fizycznych, które można sporządzić z różnych składników w dowolnych stosunkach wagowych, reakcje chemiczne przebiegają jedynie przy zachowaniu ściśle określonej proporcji substratów, a w związku chemicznym, który powstaje stosunki masowe składników są stałe. np. woda H 2 O H : O = 2 1u : 1 16u = 1 : 8, wodór i tlen występują w każdej próbce wody w stosunku wagowym 1 : 8, a to oznacza, że 1 gram wodoru i 8 gram tlenu łączą się z wytworzeniem 9 gramów wody.

25 Prosty przykład Równanie: NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 O Kluczem do rozwiązania każdego równania jest następująca reguła: Liczba atomów pierwiastka X po prawej stronie równania jest taka sama jak liczba atomów pierwiastka X po stronie lewej.

26 Skorzystajmy ze znanego już nam równania: NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 O Z poznanej przed chwilą reguły wynika, że: Liczba atomów sodu (Na) po prawej i po lewej stronie równania musi być taka sama Liczba atomów tlenu (O) po prawej i po lewej stronie równania musi być taka sama Liczba atomów wodoru (H) po prawej i po lewej stronie równania musi być taka sama Liczba atomów siarki (S) po prawej i po lewej stronie równania musi być taka sama Zauważmy, że powyższa reguła musi być spełniona przez wszystkie atomy biorące udział w reakcji!

27 Rozwiązanie krok po kroku NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 O Lewa: 1 atom Na 5 atomów O 3 atomy H 1 atom S Prawa: 2 atomy Na 5 atomów O 2 atomy H 1 atom S 1. Rozpisujemy jakie i ile atomów znajduje się po każdej stronie równania. 2. Patrzymy liczba których atomów jest inna po prawej i lewej stronie równania sodu oraz wodoru

28 Rozwiązanie krok po kroku 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + H 2 O 3. Uzgadnianie stron rozpoczynamy od pierwiastków innych niż wodór i tlen w naszym przypadku jest to sód. Skoro po prawej stronie mamy 2 Na, a po lewej tylko 1, to przed NaOH dopisujemy 2. W efekcie po lewej stronie równania zmienia się nam także liczba atomów tlenu i wodoru: Lewa: 1 atom Na 5 atomów O 3 atomy H 1 atom S Lewa: 2 atomy Na 6 atomów O 4 atomy H 1 atom S Prawa: 2 atomy Na 5 atomów O 2 atomy H 1 atom S

29 Rozwiązanie krok po kroku 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO H 2 O Lewa: 2 atomy Na 6 atomów O 4 atomy H 1 atom S Prawa: 2 atomy Na 5 atomów O 2 atomy H 1 atom S 4. Uzgadniamy tleny. Po prawej mamy 5 atomów tlenu, po lewej 6, z czego wynika, że gdzieś po prawej stronie równania musimy dopisać 2. Pytanie brzmi gdzie? Postawienie 2 przed Na 2 SO 4 nie miałoby żadnego sensu, ponieważ zniszczylibyśmy przed chwileczką uzgodnioną liczbę atomów sodu. Z czego wynika, że 2 musimy postawić przed H 2 O i tak właśnie robimy.

30 Rozwiązanie krok po kroku 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + 2H 2 O Postawienie 2 przed cząsteczką H 2 O powoduje, że po prawej stronie równania zmienia się także liczba atomów wodoru: Lewa: 2 atomy Na 6 atomów O 4 atomy H 1 atom S Prawa: 2 atomy Na 5 atomów O 2 atomy H 1 atom S Prawa: 2 atomy Na 6 atomów O 4 atomy H 1 atom S 5. Uzgadniamy wodory w tym przypadku po uzgodnieniu liczby atomów tlenu automatycznie uzupełniliśmy także liczbę atomów wodoru. W EFEKCIE LEWA = PRAWA

31 Sprawdzenie W ten prosty sposób rozwiązaliśmy pierwsze równanie stechiometryczne 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + 2H 2 O Lewa: 2 atomy Na 6 atomów O 4 atomy H 1 atom S lewa = prawa Prawa: 2 atomy Na 6 atomów O 4 atomy H 1 atom S

32 C. Energia w reakcjach chemicznych Spalanie na przykład magnezu czy siarki w tlenie wymaga dostarczenia energii do zapoczątkowania reakcji. Potem proces spalania zachodzi gwałtownie z wydzieleniem energii cieplnej i świetlnej. Niektórym reakcjom mogą towarzyszyć również efekty akustyczne (wybuch). Takie reakcje przebiegające z wydzieleniem energii do otoczenia noszą nazwę reakcji egzoenergetycznych. Otrzymywanie tlenu z manganianu (VII) potasu zachodzi tylko wtedy, gdy dostarczamy przez cały czas energii. Reakcja chemiczna do której przebiegu konieczne jest ciągłe dostarczanie energii nosi nazwę reakcji endoenergetycznej W życiu codziennym przykładem reakcji egzoenergetycznych jest spalanie drewna lub węgla kamiennego.

33 Podział reakcji ze względu na efekty energetyczne Egzoenergetyczne (wydziela się energia do otoczenia) substraty produkty + energia reakcje samorzutne Endoenergetyczne (energia jest dostarczana) substraty + energia produkty reakcje wymuszone Zn + 2HCl ZnCl 2 + H 2 + energia temperatura 2HgO 2Hg + O 2 Przykłady: spalanie gazu ziemnego w kuchence gazowej, spalanie drewna w kominku Przykłady: smażenie mięsa na patelni, reakcja rozkładu tlenku rtęci (II)

34 D. Szybkość reakcji chemicznej Reakcje przebiegają z bardzo różną szybkością jedne są momentalne (reakcje jonowe), inne powolne (polimeryzacji), wreszcie znane są reakcje powolne o szybkościach znikomo małych np. niektóre reakcje rozpadu promieniotwórczego. Szybkość reakcji opisywana jest przez zmianę liczby moli (stężenia substratów) lub zmianę liczby moli (stężenia produktów) w jednostce czasu. Szybkość reakcji wyrażamy więc jako przyrost stężenia molowego produktu C pr lub ubytek stężenia molowego substratu Csub w jednostce czasu t v C produktu t lub v C t substratu W stałej temperaturze szybkość reakcji chemicznej jest w danej chwili proporcjonalna do iloczynu stężeń substratów. A v B k[a] [B] produkty k stała szybkości reakcji, charakterystyczna dla danej reakcji w danej temperaturze.

35 Równanie kinetyczne aa bb cc dd Równanie kinetyczne jest matematycznym zapisem wiążącym szybkość reakcji ze stężeniami reagentów. v k b c a A c B lub v k [A] a [B] b k - stała szybkości reakcji, c A, c B / [A], [B]- stężenia substratów A i B, a, b - zazwyczaj współczynniki stechiometryczne z reakcji a+b = rząd reakcji.

36 Czym zajmuje się kinetyka chemiczna? Badaniem szybkości reakcji chemicznych poprzez analizę eksperymentalną i teoretyczną. Zdefiniowanie równania kinetycznego dla danej reakcji wymaga danych eksperymentalnych dotyczących głównie zależności między stężeniem reagentów a szybkością reakcji. Wpływem różnych zmiennych na szybkość reakcji, takich jak temperatura czy obecność katalizatorów. Zebrane dane eksperymentalne, poddawane są analizie teoretycznej w celu ustalenia mechanizmu, stechiometrii reakcji oraz dopasowania odpowiedniego równania kinetycznego.

37 Opis reakcji chemicznej mechanizm reakcji opisuje jak cząsteczki reagują z sobą, które wiązania kolejno ulegają zerwaniu lub tworzeniu. Jest to często zbiór elementarnych reakcji, które składają się na całość przemiany definiując jej mechanizm. stechiometria reakcji określa ilościowe zależności reagentów; jaka ilość moli danego substratu potrzebna jest do otrzymania określonej ilości moli produktu. rzędowość reakcji opisuje zależność szybkości reakcji od stężenia substratu.

38 Czynniki wpływające na kinetykę reakcji Każda reakcja chemiczna w określonych warunkach ma swoją ściśle określona szybkość reakcji wyrażaną poprzez stałą kinetyczną. szybkość reakcji zależna jest od natury reagentów. Czynniki wpływające na szybkość reakcji kontrolowane podczas jej przebiegu: - Stężenie molekuły reagujących substancji muszą się ze sobą zderzać. - Stan skupienia molekuły muszą być ze sobą zmieszane by doszło do zderzeń. - Temperatura molekuły muszą się zderzać z odpowiednią energią by doszło do rekcji. - Użycie katalizatora.

39 Wpływ zmian stężenia na stan równowagi A B C D K [C][D] [A][B] 1. Wprowadzenie substratów do roztworu Następuje zwiększenie wartości mianownika, ponieważ stała K w danej temperaturze nie ulega zmianie musi zwiększyć się wartość licznika. Wniosek: Przy zwiększeniu stężenia substratów w roztworze następuje przesunięcie równowagi w kierunku powstawania produktów ( w prawo). 2. Wprowadzenie produktów do roztworu ( lub usuwanie substratów) Następuje zwiększenie wartości licznika, ponieważ stała K nie ulega zmianie musi nastąpić zwiększenie wartości mianownika. Wniosek: przy zwiększeniu stężenia produktów w roztworze następuje przesunięcie równowagi w kierunku substratów( w lewo).

40 Wpływ zmian temperatury na stan równowagi Wzrost temperatury przesuwa położenie równowagi chemicznej, w myśl reguły przekory i równocześnie zmienia wartość stałej równowagi K, w odróżnieniu od zmian stężenia, które przesuwają równowagę przy zachowaniu tej samej wartości K. Jeżeli reakcja jest endotermiczna tzn. towarzyszy jej pochłanianie ciepła to wzrost temperatury w myśl reguły przekory przesuwa równowagę w kierunku kompensacji tej zmiany, czyli w kierunku pochłaniania ciepła ( tj. z lewej strony na prawą). Wzrost temperatury w przypadku reakcji egzotermicznej egzoenergetycznej (takiej której towarzyszy wydzielanie ciepła) przesuwa ją w kierunku odwrotnym (z prawej strony na lewą). Katalizator a równowaga Katalizator nie wpływa na położenie stanu równowagi. Katalizator w jednakowym stopniu zmienia szybkości reakcji w lewo i w prawo. Działanie katalizatora polega na skróceniu czasu potrzebnego do osiągnięcia stanu równowagi.

41 Wpływ zmian ciśnienia na stan równowagi Zmiana ciśnienia wywołuje zmiany w układzie jedynie wtedy, gdy liczba moli produktów reakcji jest różna od liczby substratów (zmienia się objętość produktów w stosunku do objętości zajmowanej przez substraty). 3H NH 2 N2 2 3 Z 4 moli substratów powstaje 2 mole produktów. Reakcji przebiegającej z lewa na prawo, towarzyszy zmniejszenie ilości moli. Wzrost ciśnienia w układzie, w którym zachodzi reakcja syntezy amoniaku, spowoduje przesunięcie równowagi w kierunku kompensacji ciśnienia, czyli w kierunku zmniejszenia ilości moli (tzn. w kierunku syntezy) N 2O4 2NO2 Wzrost ciśnienia powoduje przesunięcie równowagi w lewo w kierunku tworzenia N 2 O 4 tj. w kierunku zmniejszenia ilości moli. N O 2NO 2 2 Zmiana ciśnienia nie wywołuje żadnych zmian w układzie znajdującym się w stanie równowagi.

42 Jak wpłynie podwyższenie ciśnienia, przy stałej temperaturze, na równowagę następujących reakcji: 2CO O CO Odpowiedź: równowaga przesunie się w prawo Reakcja pomiędzy stałym węglem a dwutlenkiem węgla jest reakcją endotermiczną: C CO 2CO 2 W którą stronę przesunie się równowaga pod wpływem wzrostu temperatury? Odpowiedź: Równowaga przesunie się w prawo.