wersja: wrzesień 2010

Transkrypt

1 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 1 /23 Elementy chemii n i e o r g a n i c z n e j d o p o w t ó r z e n i a p r z e d e g z a m i n e m g i m n a z j a l i s t y wersja: wrzesień 2010

2 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 2 /23 SPIS TREŚCI 1. ŁADUNEK JONU PROPORCJE SKŁADNIKÓW W ZWIĄZKU WZORZE CHEMICZNYM NAZEWNICTWO JONÓW Kationy Aniony NAZEWNICTWO TLENKÓW NAZEWNICTWO WODOROTLENKÓW NAZEWNICTWO KWASÓW Kwasy beztlenowe Kwasy tlenowe (oksokwasy) NAZEWNICTWO SOLI ODCZYTYWANIE WARTOŚCIOWOŚCI Z POŁOŻENIA DANEGO PIERWIASTKA W UKŁADZIE OKRESOWYM PIERWIASTKÓW ZASADY TWORZENIA WZORÓW SUMARYCZNYCH ZASADY RYSOWANIA WZORÓW STRUKTURALNYCH CZĄSTECZEK PODSTAWOWYCH GRUP ZWIĄZKÓW NIEORGANICZNYCH TYPY REAKCJI CHEMICZNYCH PODSTAWOWE RODZAJE REAKCJI CHEMICZNYCH Reakcja utleniania (łączenia się z tlenem, spalania) Reakcja redukcji (odtleniania, zabierania tlenu od związku chemicznego) Reakcja syntezy związku dwupierwiastkowego z pierwiastków Reakcje tlenków z wodą pracownia chemiczna

3 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 3 / Reakcje metali z wodą Reakcje otrzymywania tlenków Reakcje otrzymywania wodorotlenków Reakcje otrzymywania kwasów Reakcje otrzymywania soli Inne przemiany chemiczne KIERUNEK BIEGU REAKCJI CHEMICZNEJ ATOM, CZĄSTECZKA I WIĄZANIA CHEMICZNE Cząstki elementarne Liczba atomowa i masowa Izotopy Zjawisko promieniotwórczości OBLICZENIA CHEMICZNE Stężenia procentowe Zmiana stężenia roztworu Rozpuszczalność Masa atomowa i masa cząsteczkowa Stosunek pierwiastków w związku chemicznym Obliczenia ilości reagentów oparte o równanie reakcji chemicznej... 22

4 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 4 /23 1. Ładunek jonu Ładunek jonu przyjmuje wartości dodatnie lub ujemne i zapisujemy go liczbą arabską (znak plus lub minus podajemy po wartości ładunku) i umieszczamy go jako wskaźnik prawy górny. Wartość ładunku jest równa wartościowości danego elementu (danej drobiny) Przykłady: S 2 Al 3+ CO Proporcje składników w związku wzorze chemicznym Proporcje składników w związkach określa się następująco: W nazwach podajemy wartościowość w nawiasie (bez spacji!) po nazwie pierwiastka, grupy pierwiastków, związku. Jeżeli pierwiastek ma tylko jeden stopień utlenienia - nie podajemy go. Jest to system zalecany przez Komisję Nomenklatury Chemicznej Polskiego Towarzystwa Chemicznego. Przykłady: Na 2 O tlenek sodu ( sód ma tylko 1 wartościowość I ) SO 3 tlenek siarki(vi) ( siarka ma II, IV, VI ) FePO 4 fosforan(v) żelaza(iii) ( żelazo ma II, III ) LiBr bromek litu ( lit ma tylko I ) 3.Nazewnictwo jonów 3.1.Kationy Słowa jon i kation stosuje się zamiennie. Przykłady: Cu 2+ Ni 3+ + NH 4 jon (kation) miedzi(ii) jon (kation) niklu(iii) jon (kation) amonu 3.2.Aniony Słowa jon i anion stosuje się zamiennie. Przykłady: OH jon (anion) wodorotlenkowy; - pracownia chemiczna

5 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 5 /23 S 2 NO 3 CH 3 COO jon (anion) siarczkowy jon (anion) azotanowy(v) jon (anion) etanianowy ( zwyczajowo: octanowy) 4.Nazewnictwo tlenków Nazwy tlenków tworzy się łącząc słowo tlenek z nazwą pierwiastka w dopełniaczu, a w nawiasie podaje się jego stopień utlenienia (wartościowość), o ile jest to konieczne (system Stocka). Jeżeli dany pierwiastek tworzy związki tylko na jednym stopniu utlenienia, to nie podaje się go w nazwie tlenku. Jeżeli dla danego pierwiastka istnieją związki na różnych stopniach utlenienia, to stopień ten podaje się w nazwie danego związku patrz punkt Proporcje składników w związku wzorze chemicznym. Przykłady: CO N 2 O 5 Al 2 O 3 tlenek węgla(ii) tlenek azotu(v) tlenek glinu 5.Nazewnictwo wodorotlenków Nazwy wodorotlenków prostych tworzy się łącząc słowo wodorotlenek z nazwą pierwiastka w dopełniaczu, a w nawiasie podaje się jego stopień utlenienia, o ile jest to konieczne (system Stocka). Zasady podawania stopnia utlenienia w nazwie wodorotlenku są identyczne jak dla tlenków. Przykłady: KOH Cu(OH) 2 Fe(OH) 3 wodorotlenek potasu wodorotlenek miedzi(ii) wodorotlenek żelaza(iii) 6.Nazewnictwo kwasów 6.1.Kwasy beztlenowe wzór kwasu nazwa kwasu nazwa soli nazwa anionu HF kwas fluorowodorowy fluorek fluorkowy HCl kwas chlorowodorowy chlorek chlorkowy HBr kwas bromowodorowy bromek bromkowy HI kwas jodowodorowy jodek jodkowy

6 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 6 /23 H 2 S kwas siarkowodorowy siarczek siarczkowy Nazwy anionów kwasów beztlenowych mają charakterystyczną końcówkę -kowy, a soli tych kwasów -ek 6.2.Kwasy tlenowe (oksokwasy) Nazwy kwasów tlenowych mają charakterystyczną końcówkę -owy, nazwy ich anionów - anowy, zaś nazwy soli tych kwasów -an. wzór kwasu nazwa w systemie Stocka nazwa soli nazwa anionu HNO 2 kwas azotowy(iii) azotan(iii) azotanowy(iii) HNO 3 kwas azotowy(v) azotan(v) azotanowy(v) H 2 CrO 4 kwas chromowy(vi) chromian(vi) chromianowy(vi) H 3 PO 4 kwas (orto)fosforowy(v) (orto)fosforan(v) (orto)fosforanowy(v) H 4 SiO 4 kwas ortokrzemowy ortokrzemian ortokrzemianowy H 2 SiO 3 kwas metakrzemowy metakrzemian metakrzemianowy HMnO 4 kwas manganowy(vii) manganian(vii) manganianowy(vii) H 2 SO 3 kwas siarkowy(iv) siarczan(iv) siarczanowy(iv) H 2 SO 4 kwas siarkowy(vi) siarczan(vi) siarczanowy(vi) H 2 CO 3 kwas węglowy węglan węglanowy Dla kwasu fosforowego(v) przedrostek orto- można używać lub nie, dlatego został on ujęty w nazwie kwasu w nawiasie! 7.Nazewnictwo soli Sole nazywamy podając kolejno nazwy jonów budujących sól i uwzględniając (jeśli to konieczne) wartościowość. Jeżeli w nazwie kwasu występuje wartościowość, to identyczna liczba występuje w nazwie soli pochodzącej od tego kwasu, co zostało uwidocznione w tabeli z kwasami.. Dla metalu (kationu) obowiązują identyczne zasady co dla tlenków i wodorotlenków. Wzór soli tworzymy pisząc najpierw symbol metalu (kationu), a potem wzór reszty kwasowej (anionu). Ilość kationów metalu i reszt kwasowych w cząsteczce soli uzgadniamy w oparciu o regułę krzyża. Wartościowość reszty kwasowej jest równa ilości atomów wodoru w cząsteczce kwasu. Wartościowość metalu jest dana lub wynika bezpośrednio z położenia danego metalu w układzie okresowym pierwiastków. Przykłady: KBr Au 2 S 3 BaCO 3 bromek potasu siarczek złota(iii) węglan baru - pracownia chemiczna

7 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 7 /23 CuSO 4 Al 2 (SO 4 ) 3 SnCl 4 KNO 2 siarczan(vi) miedzi(ii) siarczan(vi) glinu chlorek cyny(iv) azotan(iii) potasu Istnieją sole, w których zamiast kationu metalu w soli jest kation amonu. Ze względu na rozmiary oraz wartość ładunku jest on bardzo podobny do kationu sodu i potasu, dlatego też sole amonowe mają analogiczne właściwości, co sole sodu i potasu, np. są również świetnie rozpuszczalne w wodzie i nie dają praktycznie żadnych osadów z pospolitymi reagentami. Nazewnictwo soli amonowych tworzymy na identycznej zasadzie jak soli innych kationów. Przykłady: NH 4 Cl NH 4 NO 3 (NH 4 ) 2 SO 4 (NH 4 ) 3 PO 4 chlorek amonu azotan(v) amonu siarczan(vi) amonu fosforan(v) amonu W przypadku soli zawierającej wodę krystalizacyjną wymieniamy kolejno składniki rozdzielając je długą kreską, a na końcu nazwy w nawiasie okrągłym podajemy stosunek molowy składników (soli do wody) Przykłady: CuSO 4. 5H 2 O siarczan(vi) miedzi(ii) woda(1/5) 8.Odczytywanie wartościowości z położenia danego pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków Położenie danego pierwiastka w układzie okresowym określa, jakie wartościowości może on przejawiać w swoich związkach. Dla grup 1,2 oraz od 13 do 17 istnieją proste reguły (od których są, niestety, wyjątki: Cyfra jedności numeru grupy określa najwyższą możliwą wartościowość danego pierwiastka; W grupach parzystych wartościowości mogą być tylko parzyste, a w grupach nieparzystych tylko nieparzyste. Kierując się tymi dwoma regułami uzyskujemy następujące wartościowości dla pierwiastków znajdujących się w grupie: 1 tylko jeden (I); 2 tylko dwa (II); 13 jeden (I) i trzy (III) glin tylko trzy Al(III); 14 dwa (II) i cztery (IV);

8 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 8 /23 15 jeden (I), trzy (III) i pięć (V) azot może mieć wartościowości od jeden do pięć (od I do V); 16 dwa (II), cztery (IV) i sześć (VI) tlen tylko dwa O (II); 17 jeden (I), trzy (III), pięć (V) i siedem (VII) fluor tylko jeden F (I) Dla pierwiastków z pozostałych grup nie można już podać takich prostych zasad. Warto zapamiętać tylko grupę pierwiastków, które przejawiają w swoich związkach tylko jedną wartościowość, więc nie jest ona dla nich podawana w nazwach ich związków. Dotyczy to: Zn (II), Cd (II), Ag (I). 9.Zasady tworzenia wzorów sumarycznych Większość związków można praktycznie potraktować jako związki złożone z dwóch części, czyli tzw. związki binarne. Jeżeli znamy, z jakich części składa się dana cząsteczka oraz znana jest wartościowość tych części (stopień utlenienia), to utworzenie wzoru sumarycznego cząsteczki takiego związku jest bardzo proste. Służy do tego celu tzw. reguła krzyża. Jeżeli chcemy utworzyć wzór cząsteczki zbudowanej z części A o wartościowości (K) i części B o wartościowości (L): A (K) i B (L) to wzór tworzonej cząsteczki będzie miał postać: A L B K np.: Fe(III) i S(II) daje cząsteczkę o wzorze Fe 2 S 3 N(V) i O(II) daje cząsteczkę o wzorze N 2 O 5 Jeżeli wartościowości części A i B sa liczbami, które posiadają wspólny podzielnik, to oba współczynniki stechiometryczne we wzorze dzielimy przez odpowiednia liczbę tak, aby miały one jak najmniejsza wartość. Z reguły dotyczy to sytuacji, gdy obie wartościowości są liczbami parzystymi, czyli skrócenie polega na podzieleniu przez dwa, np.: S(VI) i O(II) nie: S 2 O 6 ale: SO 3 Sn(IV) i S(II) nie: Sn 2 S 4 ale: SnS 2 Reguła krzyża pozwala utworzyć: wzory tlenków i innych związków dwupierwiastkowych, - pracownia chemiczna

9 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 9 /23 wodorotlenków, gdzie jedną część cząsteczki stanowi atom metalu, a drugą grupy wodorotlenkowe OH. Ponieważ grupa OH jest jednowartościowa, więc w cząsteczce wodorotlenku jest tyle grup wodorotlenowych, jaka jest wartościowość metalu. soli, gdzie jedną część cząsteczki stanowią atomy metalu, a drugą reszty kwasowe. Wartościowość reszty kwasowej jest równa ilości atomów wodoru w cząsteczce kwasu 10.Zasady rysowania wzorów strukturalnych cząsteczek podstawowych grup związków nieorganicznych Wzory strukturalne przedstawiają strukturę, czyli budowę cząsteczki danego związku chemicznego. Pokazują one, w jaki sposób atomy są połączone w jedna całą cząsteczkę. Siły wiążące atomy nazywamy wiązaniami chemicznymi i we wzorach tych przedstawiamy jako kreskę łącząca dwa symbole, np.: A B Ponieważ taka kreska symbolizuje wiązanie kowalencyjne, to tylko dla takich substancji możny rysować wzory strukturalne. Aby narysować wzory strukturalne podstawowych grup związków nieorganicznych należy kierować się podanymi niżej zasadami: a) ilość kresek symbolizujących wiązania, jakie tworzy dany atom jest zgodna z jego wartościowością; b) w tlenkach niemetali nie występują wiązania pomiędzy takimi samymi atomami, tzn. wiązania typu X X, nie rysujemy więc kresek pomiędzy takimi samymi symbolami; c) w cząsteczkach, w których występuje zarówno wodór i tlen, atomy wodoru są przyłączone zawsze do atomów tlenu. We wzorach kwasów tlenowych występuje więc zawsze układ: H O (choć są oczywiście od tego wyjątki). d) w omawianych grupach związków chemicznych nie występują struktury zamknięte, cykliczne. Wiązania pomiędzy tymi samymi atomami występują tylko w cząsteczkach pierwiastków, np. H 2, O 2, O 3, P 4 czy S 8 oraz w niektórych związkach, które nie będą poruszane w niniejszym opracowaniu. 11.Typy reakcji chemicznych Podział wszystkich reakcji chemicznych na typy jest dokonany ze względu na ilość substratów (s) i produktów (p) danej przemiany. Istnieją trzy podstawowe typy reakcji chemicznych. I tak rozróżniamy: s s n p s p p n reakcja syntezy (łączenia) reakcja analizy (rozkładu)

10 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 10 /23 s s n p p n reakcja wymiany Istnieją nieliczne przykłady reakcji czwartego typu, tzw. reakcje izomeryzacji, która polegają na przegrupowaniu się atomów jednej cząsteczki w inny układ, który daje w efekcie cząsteczkę innej substancji. s p reakcja izomeryzacji O takich przemianach nie mówimy jednak w gimnazjum. Jest jeszcze możliwa przemiana jednego pierwiastka w drugi. Przemiana taka jest możliwa jedynie na gruncie przemian jądrowych. Nie jest to jednak obszar zainteresowania klasycznej chemii. 12.Podstawowe rodzaje reakcji chemicznych Można wyróżnić następujące rodzaje reakcji chemicznych 12.1.Reakcja utleniania (łączenia się z tlenem, spalania) Jedną z najważniejszych przemian chemicznych jest reakcja łączenia się z tlenem, zwana ogólnie reakcją utleniania. Jeżeli ta reakcja przebiega gwałtownie z wydzieleniem się światła i ciepła czyli powstaje płomień to wtedy mówimy o reakcji spalania. pierwiastek + tlen tlenek tego pierwiastka 2 Mg + O 2 2 MgO Jeżeli pierwiastek przejawia kilka wartościowości, to można również zrealizować przemianę: tlenek pierwiastka na niższej wartościowości + tlen tlenek tego pierwiastka na wyższej wartościowości 2 Cu 2 O+ O 2 4 CuO Spalając dowolną substancje palną możemy zapisać tę przemianę następującym równaniem: substancja palna tlenki pierwiastków, z których zbudowana była spalana substancja CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O 12.2.Reakcja redukcji (odtleniania, zabierania tlenu od związku chemicznego) Odwrotnością reakcji utleniania jest reakcja redukcji, w której jakaś substancja reaguje z tlenkiem i zabiera mu tlen. Jest to reakcja wymiany tlenu od substancji bogatej w tlen (zwanej wtedy utleniaczem czyli dawcą tlenu) do substancji ubogiej w tlen lub substancji nie mającej w ogóle tlenu w swoim składzie (zwanej reduktorem czyli odtleniaczem, biorcą tlenu). Najczęściej stosowanymi reduktorami są: wodór H 2, węgiel C, tlenek węgla(ii) CO, glin Al, magnez Mg. Utleniacz staje się substancją odtlenioną do postaci tlenku o niższej - pracownia chemiczna

11 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 11 /23 wartościowości lub często do postaci pierwiastka. Reduktor łącząc się z tlenem przechodzi w postać tlenku o wyższej wartościowości (CO na CO 2 ) lub w ogóle w postać tlenku (H 2 na H 2 O, C na CO lub CO 2, Al. na Al 2 O 3, Mg na MgO). substancja (utleniacz) + reduktor substancja odtleniona + tlenek reduktora Fe 2 O C 2 Fe + 3 CO 12.3.Reakcja syntezy związku dwupierwiastkowego z pierwiastków Analogicznie do reakcji łączenia się z tlenem możemy wyróżnić reakcje syntezy dwóch pierwiastków, w której produktem jest związek dwupierwiastkowy: np.: pierwiastek1 + pierwistek2 związek dwupierwiastkowy pierwiastek + chlor chlorek pierwiastka 2 Na + Cl 2 2 NaCl pierwiastek + siarka siarczek pierwiastka Hg + S HgS W tych przemianach pierwiastek może mieć charakter metaliczny lub niemetaliczny Reakcje tlenków z wodą Zachowanie się tlenków wobec wody może być trojakie: tlenek + woda reakcja nie biegnie CuO + H 2 O reakcja nie biegnie Tak zachowują się tlenki metali z grup 3-16 układu okresowego o wartościowości od I do IV i niektóre tlenki niemetali. Takie tlenki nazywamy tlenkami obojętnymi względem wody. tlenek + woda kwas tlenowy SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 Taka reakcja biegnie dla niektórych tlenków metali spoza grupy 1 i 2 układu okresowego o wartościowości większej od IV oraz dla większości tlenków niemetali. Takie tlenki nazywamy tlenkami o charakterze kwasowym. tlenek + woda wodorotlenek rozpuszczalny w wodzie (zasada) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Tak z kolei zachowują się tylko tlenki metali grupy 1 i 2 układu okresowego (wyjątkiem jest tlenek berylu BeO, który z wodą nie reaguje). Jest to pierwsza metoda otrzymywania

12 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 12 /23 wodorotlenków metali 1 i 2 grupy. Takie tlenki nazywamy tlenkami o charakterze zasadowym Reakcje metali z wodą Z wodą reagują tylko metale grupy 1 i 2 układu okresowego (z wyjątkiem Be, który w ogóle nie reaguje oraz Mg, który reaguje powoli dopiero w podwyższonej temperaturze). Pozostałe metale reagują łatwo według schematu: metal + woda wodorotlenek metalu (rozpuszczalny w wodzie) + wodór 2 Na + H 2 O 2 NaOH + H 2 Jest to druga metoda otrzymywania wodorotlenków metali 1 i 2 grupy Reakcje otrzymywania tlenków Tlenki można otrzymywać na drodze różnych przemian: pierwiastek + tlen tlenek tego pierwiastka S + O 2 SO 2 tlenek pierwiastka na niższej wartościowości + tlen tlenek tego pierwiastka na wyższej wartościowości 2 SO 2 + O SO 3 tlenek pierwiastka na wyższej wartościowości + reduktor tlenek tego pierwiastka na niższej wartościowości + tlenek reduktora Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 Dla metali spoza grupy 1 i 2 układu okresowego można zrealizować reakcję rozpadu cząsteczki wodorotlenku pod wpływem ciepła: wodorotlenek tlenek metalu + woda Cu(OH) 2 CuO + H 2 O Wiele soli również ulega rozkładowi w trakcie ogrzewania, prażenia: sól tlenek metalu +tlenek niemetalu CaCO 3 CaO + CO 2 Tlenki niemetalu powstają również w trakcie reakcji kwasu tego niemetalu z niektórymi metalami półszlachetnymi i szlachetnymi, np. reakcja kwasu siarkowego(vi) czy azotowego(v) z miedzią czy rtęcią. Niemetal wtedy zmniejsza swój stopień utlenienia (wartościowość) tworząc tlenek. kwas + metal szlachetny sól metalu +tlenek niemetalu + woda - pracownia chemiczna

13 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 13 /23 3 Cu +8 HNO 3 3 Cu(NO 3 ) NO + 4 H 2 O 12.7.Reakcje otrzymywania wodorotlenków Wodorotlenki metali 1 i 2 grupy układu okresowego, które poza wodorotlenkami Mg i Ca, (które są słabo rozpuszczalne) są w zdecydowanej większości dobrze i bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie otrzymuje się na drodze przemian: metal + woda wodorotlenek metalu + wodór Ca + 2 H 2 O Ca(OH) 2 + H 2 tlenek metalu (tlenek zasadowy) + woda wodorotlenek metalu K 2 O + H 2 O 2 KOH Wodorotlenki pozostałych metali otrzymuje się na drodze pośredniej poprzez reakcje soli tego metalu rozpuszczalnej w wodzie z roztworem wodnym NaOH lub KOH. Wytrąca się wtedy nierozpuszczalny w wodzie, galaretowaty lub kłaczkowaty osad wodorotlenku tego metalu. Wodorotlenki te rozkładają się w wyższych temperaturach na odpowiedni tlenek i wodę sól metalu + NaOH wodorotlenek metalu + sól sodu FeCl NaOH Fe(OH) 3 +3 NaCl 12.8.Reakcje otrzymywania kwasów Podstawową reakcją otrzymywania kwasów tlenowych jest reakcja odpowiedniego tlenku o charakterze kwasowym z wodą. Dlatego tlenki takie nazywają się popularnie bezwodnikami kwasowymi. tlenek kwasowy + woda kwas tlenowy P 4 O H 2 O 4 H 3 PO 4 Kwasy można również otrzymać w reakcji podwójnej wymiany: sól słabszego kwasu + mocny kwas sól mocnego kwasu + słabszy kwas 2 NaCl + H 2 SO 4 Na 2 SO HCl Właśnie ta reakcja jest podstawą doświadczalnego porównywania mocy kwasów. Wydzielony kwas słabszy może być odpowiednim wodorkiem (dla kwasów beztlenowych), który ulatnia się w postaci gazu. Natomiast wydzielający się słabszy kwas tlenowy często ulega natychmiastowemu rozpadowi na odpowiedni bezwodnik i wodę tak zachowują się kwas węglowy, siarkowy(iv) czy kwasy krzemowe, dlatego trudno mówić jest o występowaniu tych kwasów w wolnej postaci. Kwasy te praktycznie w takiej postaci nie występują, natomiast bardzo popularne są ich sole.

14 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 14 /23 Natomiast kwasy beztlenowe są roztworami gazów w wodzie. Gazy te to wodorki niektórych pierwiastków o wzorze identycznym jak dany kwas beztlenowy. Gazy te otrzymuje się na drodze bezpośredniej syntezy z pierwiastków, np: chlor + wodór chlorowodór (gaz) Cl 2 + H 2 2 HCl (g) Symbol (g) za wzorem HCl oznacza właśnie informację, że ten związek jest gazem {analogicznie: (s) substancja stała, (c) ciecz, (aq) roztwór wodny; od aqua woda po łacinie} Dopiero ten gaz rozpuszczony w wodzie daje nam coś, co nazywamy kwasem chlorowodorowym lub zwyczajowo solnym. Aby to wyraźnie zaznaczyć, pisze się za wzorem w nawiasie literki (aq), HCl (aq) które z reguły się pomija, mówiąc o kwasach beztlenowych 12.9.Reakcje otrzymywania soli Najbardziej szeroką grupą związków chemicznych są sole. Metody otrzymywania soli wynikają z własności omówionych poprzednio grup substancji chemicznych, czyli pierwiastków, tlenków, wodorotlenków i kwasów. Wiele metod otrzymywania soli jest zarazem metodą otrzymywania innych związków chemicznych, więc wystąpiły już poprzednio. Można wyróżnić 10 metod otrzymywania soli. 1a kwas + metal nieszlachetny sól + wodór 2 HCl + Zn ZnCl 2 + H 2 Tak biegnie reakcja dla metali nieszlachetnych, czyli takich, które w tzw. szeregu napięciowym metali znajdują się przed wodorem. Szereg napięciowy z uwzględnieniem najpopularniejszych metali przedstawia się następująco: K, Na, Li, Ca, Mg, Al., Mn, Zn, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Au Im dany metal znajduje się dalej na lewo od wodoru, tym jest aktywniejszy i tym łatwiej wypiera wodór z kwasów. Metale najaktywniejsze potrafią wypierać wodór już z wody reakcja metali z wodą. Metale znajdujące się w tym szeregu na prawo od wodoru są zaliczane do metali półszlachetnych (Cu, Hg) lub szlachetnych (Ag, Au). Ich szlachetność polega właśnie na tym, że nie reagują normalnie z kwasami z wydzieleniem wodoru reakcja ta biegnie wtedy według schematu 1b. Złoto praktycznie nie reaguje z żadnym z kwasów, lecz dopiero z ich mieszaniną, zwaną wodą królewską i mechanizm tej reakcji jest jeszcze inny. 1b kwas + metal szlachetny sól + tlenek pierwiastka tworzącego kwas + woda - pracownia chemiczna

15 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 15 /23 2 H 2 SO 4 + Hg HgSO 4 + SO H 2 O Reakcje od 2 do 9 są typowymi reakcjami, w których jednym (lub jedynym) produktem jest odpowiednia sól. 2. kwas + tlenek metalu sól + woda H 2 SO 4 + MgO MgSO 4 + H 2 O Reakcja 3 jest ogólnie znaną reakcją zobojętniania 3. kwas + wodorotlenek sól + woda 3 HNO 3 + Co(OH) 3 Co(NO 3 ) H 2 O 4. tlenek zasadowy + bezwodnik kwasowy sól kwasu tlenowego CaO + CO 2 CaCO 3 5. wodorotlenek + bezwodnik kwasowy sól kwasu tlenowego + + woda 2 NaOH + SO 2 Na 2 SO 3 + H 2 O Reakcje od 6 do 8 są przykładami reakcji, w których mocniejszy element wypiera ze związku analogiczny element słabszy W reakcji 6 wydzielający się słabszy kwas ulatnia się w postaci gazu (odpowiedni wodorek dla kwasu beztlenowego, np. HCl, H 2 S) lub cząsteczka słabszego kwasu tlenowego rozpada się na odpowiedni bezwodnik i wodę (np. kwas węglowy, kwas siarkowy(iv)). 6. sól 1 + mocny kwas 1 sól 2 + słabszy kwas 2 CaCO HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O W reakcji 7 wytrąca się nierozpuszczalny w wodzie osad słabego wodorotlenku metalu spoza grupy 1 i sól 1 + mocny wodorotlenek 1 sól 2 + słabszy wodorotlenek 2 Ni(NO 3 ) NaOH 3 NaNO 3 + Ni(OH) 3 W reakcji 8 mocny metal (bardziej aktywny), znajdujący się bardziej na lewo w szeregu napięciowym metali wypiera metal słabszy (mniej aktywny), tzn. taki, który znajduje się bardziej na prawo w szeregu napięciowym. Metal bardziej aktywny przechodzi w postaci kationów do roztworu, a metal mniej aktywny (bardziej szlachetny) wydziela się w postaci metalicznej jako proszek lub piękna lśniąca powłoka metaliczna. 8. sól 1 + mocny metal 1 sól 2 + słabszy metal 2 2 AgNO 3 + Cu Cu(NO 3 ) Ag

16 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 16 /23 Reakcja 9 jest z kolei typową reakcją podwójnej wymiany, w której jedna z nowo powstających soli jest nierozpuszczalna w wodzie i wytrąca się w postaci osadu. 9. sól 1 + sól 2 sól 3 +sól 4 BaCl 2 + Na 2 SO 4 2 NaCl + BaSO 4 Ostatnią reakcją jest reakcja niemetalu z metalem, której produktem jest związek dwupierwiastkowy (binarny), który może być traktowany jako sól kwasu beztlenowego, albo może to być związek, którego nie można zaliczyć do soli w tradycyjnym rozumieniu tej grupy związków. 10. niemetal + metal sól kwasu beztlenowego (związek dwupierwiastkowy) Zn + S ZnS Inne przemiany chemiczne Nie wszystkie przemiany chemiczne dają się zliczyć do którejś w wyżej wymienionych klas. Można wyróżnić jeszcze następujące klasy przemian, o których warto pamiętać: Reakcja fotolizy rozpad cząsteczki na drobniejsze fragmenty. Klasycznym przykładem jest fotoliza halogenków srebra: 2 AgCl 2 Ag + Cl 2 Reakcja elektrolizy rozpad cząsteczki pod wpływem przepływu prądu elektrycznego. Przykładem tego rodzaju przemiany jest elektroliza wody, w trakcie której powstaje wodór i tlen. 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 Reakcja rozkładu termicznego substancji na prostsze elementy. Wcześniej wspomniano już o takich przemianach np. rozkład wodorotlenków. Takiemu procesowi ulegają między innymi sole bogate w tlen, np. manganian(vii) potasu, chloran(v) potasu; sole amonowe, np. azotan(v) amonu; węglany; siarczany(iv). 4 KMnO 4 2 K 2 O + 4 MnO O 2 CaCO 3 CaO + CO 2 Reakcja dysocjacji elektrolitycznej rozpad substancji jonowej lub o silnie spolaryzowanym wiązaniu kowalencyjnym na swobodne jony pod wpływem cząsteczek rozpuszczalnika, z reguły wody. Procesowi dysocjacji ulegają wodorotlenki, kwasy i sole, choć w różnym stopniu. Substancje bardzo słabo lub praktycznie wcale nie rozpuszczalne w wodzie uważa się za nie podlegające temu procesowi. Sr(OH) 2 Sr OH H 3 PO 4 3 H + + PO pracownia chemiczna

17 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 17 /23 Mg(NO 2 ) 2 Mg NO 2 Konsekwencją tego procesu jest istnienie w roztworze swobodnych jonów, które umożliwiają przepływ prądu elektrycznego przez ten roztwór. Prowadząc reakcje z wykorzystaniem takich roztworów reakcja biegnie więc pomiędzy jonami, a nie cząsteczkami. takie reakcje nazywamy reakcjami jonowymi, a zapis równania uwzględniający ten fakt nazywamy równaniami jonowymi. Równania jonowe mogą być zapisane w pełnej postaci, czyli ze wszystkimi jonami zawartymi w reagujących roztworach lub w postaci uproszczonej, tzn. tylko z tymi jonami, które rzeczywiście reagują dając produkty nierozpuszczalne w wodzie (wytrącanie się osadu), gazowe (wydzielanie się gazu) lub niejonowe (reakcja zobojętniania). 13.Kierunek biegu reakcji chemicznej Reakcje powstawanie soli, poza reakcją nr 10, z reguły przeprowadza się w środowisku wodnym, czyli substraty są w postaci roztworu wodnego. Rodzi się więc pytanie, kiedy dana przemiana jest dla nas użyteczna jako metoda otrzymywania soli. Lub mówiąc ogólniej, kiedy dana reakcja biegnie tylko w takim kierunku, o jakim informuje nas zapis równania tej reakcji? Nie każdy układ realizujący dana przemianę jest dla nas korzystny. Często po zlaniu dwóch roztworów nic się nie dzieje, tzn. nie ma żadnych widocznych objawów biegu reakcji, a po odparowaniu roztworu otrzymamy mieszaninę różnych substancji, z reguły trudna do rozdzielenia. Np. zlanie roztworów KNO 3 i NaCl nie spowoduje żadnych objawów, a sucha pozostałość po odparowaniu da mieszaninę soli KNO 3, NaNO 3, KCl i NaCl. Identyczny efekt uzyskamy mieszając roztwory KCl i NaNO 3. Dlatego też można zapisać: KNO 3 +NaCl NaNO 3 +KCl co oznacza, że reakcja biegnie równocześnie z lewa na prawo, jak i z prawa na lewo. Aby reakcja biegła w pełni zgodnie z zapisem z lewa na prawo i aby można było uzyskać w łatwy sposób daną sól musi być spełniony jeden z następujących warunków: a) jeden z powstających produktów musi być nierozpuszczalna w wodzie tzw. reakcje strąceniowe. Drugi jako rozpuszczalny pozostaje w roztworze. Pozostaje łatwe oddzielenie osadu od roztworu metodą sączenia i krystalizacji reakcja 7,8,9; b) jeden z produktów jest gazem i opuszcza środowisko reakcji reakcja 1; c) jednym z produktów jest woda, więc staje się rozpuszczalnikiem i jako taki nie ma znaczenia reakcja 2, 3, 5, d) jeden z produktów jest nietrwały i ulega rozkładowi na substancje opuszczające środowisko reakcji reakcja 6.

18 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 18 /23 14.Atom, cząsteczka i wiązania chemiczne 14.1.Cząstki elementarne Atom, mimo przyjętej kiedyś nazwy oznaczającej niepodzielny składa się z mniejszych cząstek elementarnych: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony, zwane ogólnie nukleonami budują jądro atomowe. Elektrony znajdują się w pewnych obszarach wokół jądra zwanych powłokami elektronowymi Liczba atomowa i masowa Liczba protonów w jądrze, zwana liczba atomową Z, wyznacza, z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. Protony mają ładunek dodatni, równy co do wielkości ładunkowi ujemnemu elektronów. Ponieważ atom jako całość jest elektrycznie obojętny, więc liczba elektronów na powłokach jest równa liczbie protonów w jądrze danego atomu. Łączna liczba protonów i neutronów w jądrze atomu czyli liczba nukleonów jest zwana liczba masową i oznaczamy ją literą A Liczę Z piszmy jako lewy dolny indeks, a liczbę A jako lewy górny indeks symbolu pierwiastka: 14.3.Izotopy A Z E gdzie E symbol jakiegoś pierwiastka Liczba neutronów nie ma wpływu na to, z jakim pierwiastkiem mamy do czynienia. Powoduje jednak to, że istnieją atomy tego samego pierwiastka różniące się liczba neutronów. Takie różne atomy tego samego pierwiastka nazywamy izotopami. Warto tutaj nadmienić, że liczba znanych pierwiastków to 117, a liczba wszystkich ich izotopów przekracza Zjawisko promieniotwórczości Niektóre izotopy są trwałe i nie podlegają żadnym zmianom. Istnieje jednak duża grupa izotopów, które nie są trwałe i podlegają samorzutnym procesom rozpadu zwanymi rozpadem radioaktywnym, a takie izotopy nazywa się izotopami radioaktywnymi lub radionuklidami. Rozróżniamy dwa podstawowe rozpady naturalne: rozpad alfa i rozpad beta. Obu tym rozpadom towarzyszy wydzielanie dużych ilości energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego, tzw. promieniowanie gamma. 15.Obliczenia chemiczne 15.1.Stężenia procentowe Roztwory wodne wielu substancji są bardzo popularne i spotykamy się z nimi niemal na codziennie. Dlatego też wyrażanie składu takich mieszanin, jakimi są roztwory, jest bardzo ważnym problemem chemicznym, a umiejętność wykonywania prostych obliczeń z tym związanych jest przydatna każdemu. - pracownia chemiczna

19 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 19 /23 Ogólnie stężeniem nazywamy stosunek ilości składnika danej mieszaniny do ilości całej mieszaniny. Można to wykonać na wiele sposobów, więc istnieje wiele różnych rodzajów stężeń. Najpopularniejszym jest stężenie procentowe masowe, które definiuje się następująco: C p = m m s r 100% gdzie: C p stężenie procentowe roztworu, m s masa rozpuszczonej substancji w gramach, m r masa całego roztworu w gramach. Wartość stężenia roztworu można zinterpretować następująco: jeżeli, np. stężenie roztworu wynosi 25%, to znaczy, że w 100 g roztworu jest 25% z jego masy samej substancji rozpuszczonej, czyli 25g. Na roztwór składa się substancja rozpuszczona i rozpuszczalnik, czyli na masę roztworu m r składa się masa substancji rozpuszczonej m s i masa rozpuszczalnika m R ( Trzeba tutaj nadmienić, że stosowanie indeksów s, r, R nie jest ogólnie przyjęte i że jest to mój system różnicowania omawianych mas. Jest to natomiast system najbardziej popularny. ) Zależność tę można wyrazić następującym wzorem: m = m + r s m R O wiele wygodniej jest podawać ilość roztworu czy rozpuszczalnika, jako że są to ciecze, nie na masę, ale na objętość. Dlatego należy znać zależność pomiędzy masą i objętością cieczy, która wyraża się następująco: d = m V gdzie d gęstość cieczy (roztworu, rozpuszczalnika), m masa cieczy, V jego objętość. Korzystając z tych trzech zależności można obliczyć stężenie procentowego danego roztworu lub inną wielkość z nim związaną Zmiana stężenia roztworu Częstym problemem jest zmiana stężenia roztworu. Jeżeli roztwór jest nasycony, to można go tylko rozcieńczyć przez: dodanie wody zwiększa się wtedy masa rozpuszczalnika, czyli zarazem całego roztworu o tę sama wartość; roztworu tej samej substancji, ale o mniejszym stężeniu zwiększa się wtedy zarówno masa substancji rozpuszczonej jak i rozpuszczalnika (czyli i całego roztworu), ale stężenie nowego roztworu po zmieszaniu będzie pośrednie niż roztworów wyjściowych)

20 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 20 /23 Jeżeli roztwór jest nienasycony, to można go zarówno rozcieńczyć na oba sposoby poruszone wyżej, ale można go również zatężyć przez: odparowanie rozpuszczalnika zmniejsza się wtedy masa rozpuszczalnika, czyli zarazem całego roztworu o tę sama wartość; dodanie substancji rozpuszczonej zwiększa się masa substancji rozpuszczonej i masa roztworu o tę sama wartość; dodanie roztworu tej samej substancji, ale o stężeniu większym sytuacja analogiczna do rozcieńczania roztworu nasyconego roztworem o mniejszym stężeniu. Obliczając stężenie procentowe końcowego roztworu można posłużyć się wzorem na stężenie uwzględniając zmiany odpowiednich mas. Można jednak posłużyć się bardzo praktycznym narzędziem obliczeniowym, jakim jest tzw. krzyż mieszania (krzyż św. Andrzeja). Wygląda on następująco: C 1 m 1 = C 1 C x C x C 2 m 2 = C x C 2 gdzie: C 1 - stężenie roztworu 1, który mieszamy ( o wyższym stężeniu); C 2 - stężenie roztworu 2, który mieszamy ( o niższym stężeniu; jeżeli dolewamy wody, to C 2 =0; C x - stężenie roztworu, który mamy otrzymać po zmieszaniu roztworów 1 i 2; m 1 - ilość [ w gramach] roztworu 1; m 2 - ilość [ w gramach] roztworu 2; Z reguły znane jest C 1, C 2 i C x, a szukamy m 1 i m 2. Trudniejszym typem obliczeń opartych o tę metodę jest szykanie stężenia roztworu po zmieszaniu C x, jeżeli znamy ilości i stężenia roztworów mieszanych Rozpuszczalność Pojęcie rozpuszczalności określa maksymalną ilość substancji, jaka jest wstanie się rozpuścić w 100 g wody (lub innego rozpuszczalnika, ale najczęściej jest nim woda) w danej temperaturze. Jak wynika z tej definicji, rozpuszczalność określa ilość substancji rozpuszczonej w roztworze nienasyconym. Wynika z niej również, że rozpuszczalność zależy od temperatury. Dla zdecydowanej większości substancji stałych z reguły rośnie ona wraz z temperaturą, czasami bardzo szybko (np. dla azotanu (V) potasu KNO 3 ) lub bardzo słabo (np. dla chlorku sodu NaCl). Są jednak i takie substancje, dla których rozpuszczalność maleje wraz ze wzrostem temperatury lub zmienia się w sposób nieregularny. - pracownia chemiczna

21 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 21 /23 Dla gazów zależność ta jest dokładnie odwrotna, to znaczy, że rozpuszczalność gazów w odzie maleje, i to bardzo szybko, wraz ze wzrostem temperatury. Świadczy o tym doskonale znane wszystkim zjawisko, jakie towarzyszy otwarciu opakowania napoju gazowego, który jest ciepły!!!. Poza tym rozpuszczalność gazów zależy również od ciśnienia tego gazu nad powierzchnią cieczy im większe ciśnienie, tym więcej gazu rozpuści się w wodzie. Nie mówi się w ramach gimnazjum o rozpuszczalności cieczy w wodzie. Zależności rozpuszczalności danej substancji od temperatury obrazuje się w formie odpowiedniego wykresu, z którego trzeba umieć odczytać odpowiednie wartości. Wartości te często służą jako wyjściowe dane do obliczeń związanych ze stężeniem procentowym tego roztworu Masa atomowa i masa cząsteczkowa Masy atomów i cząsteczek można wyrażać w normalnych jednostkach masy, jak kilogramy czy gramy, ale wtedy uzyskamy niezwykle małe wartości, które nie są zbyt praktyczne. Dlatego też zdefiniowano specjalną jednostkę do wyrażania tak malutkich wartości i nazwano ją unitem [u].

22 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 22 /23 1[u] = 1, [kg], czyli rzeczywiście jest to niezwykle mała wartość. Masę atomu wyrażoną w [u] nazywamy masa atomową, a masę cząsteczki wyrażona w [u] masą cząsteczkową. Masy atomowe i cząsteczkowe oznaczamy symbolem M, pisząc w indeksie prawym dolnym symbol pierwiastka lub wzór cząsteczki, której on dotyczy, np. M O = 16[u] M H20 = 18 [u] Masa cząsteczkowa jest sumą mas wszystkich atomów wchodzących w jej skład, więc jej obliczenie nie przedstawia żadnych trudności. Masy atomowe są do odczytania z każdego układu okresowego, gdzie są zawsze umieszczane lub są podawane w inny sposób w każdym razie nie uczymy się ich na pamięć Stosunek pierwiastków w związku chemicznym Skład ilościowy pierwiastków w związku chemicznym można wyrazić na kilka sposobów, podając tzw. stosunek pierwiastków w związku. Rozpatrzmy to na przykładzie wody. Możemy wyróżnić następujące stosunki: stosunek atomowy wyrażają go po prostu współczynniki stechiometryczne we wzorze; wzór wody: H 2 O, więc stosunek atomowy pierwiastków w wodzie: H:O = 2:1 oznacza, że w wodzie na 2 atomy wodoru przypada 1 atom tlenu. stosunek masowy wyraża stosunek mas pierwiastków w związku: m H : m O = 1:8; stosunek masowy wyznaczamy obliczając masę wodoru w [u] i masę tlenu w [u], jakie są w cząsteczce wody, ale stosunek mas podajemy bez jednostek, bo może on być wyrażony w dowolnych jednostkach masowych oznacza on, że w wodzie na 1 jednostkę masowa wodoru (np. na 1 gram) przypada 8 jednostek masowych ( 8 gramów) tlenu. stosunek procentowy masowy stosunek masowy przeliczamy na procenty w stosunku do masy całej cząsteczki wyrażonej w [u]; masa cząsteczkowa wody = 18[u], więc: % H : % O = 2/18 * 100% : 16/18 * 100% = 11,1% : 98,9% i oznacza, że w dowolnej masie wody 11,1% tej masy stanowi wodór, a 98,9% - tlen 15.6.Obliczenia ilości reagentów oparte o równanie reakcji chemicznej Ostatnim problemem obliczeniowym, z jakim powinniście sobie poradzić jest obliczenie ilości reagujących ze sobą substancji. Podstawą do takich wyliczeń jest poprawnie napisane równanie reakcji chemiczne. Weźmy dla przykładu jedno z równań zapisanych wcześniej: BaCl 2 + Na 2 SO 4 2 NaCl + BaSO 4 - pracownia chemiczna

23 Podstawowe wiadomości z chemii nieorganicznej strona 23 /23 Postawy problem, np. ile należy użyć gramów siarczanu(vi) sodu, aby strącić całkowicie cały bar z roztworu, jeżeli rozpuszczono 100 g BaCl 2? Równanie mówi nam, że 1 cząsteczka BaCl 2 reaguje z jedną cząsteczką Na 2 SO 4, co po przeliczeniu na masy cząsteczkowe daje nam zależność: M BaCl2 = *35,5 = 208 [u] M Na2SO4 =2* *16 = 142 [u] Zamieniając unity na gramy otrzymujemy zależność ilości reagujących substancji, którą można przedstawić w następującej proporcji: 208 g BaCl 2 reaguje z 142 g Na 2 SO g BaCl 2 reaguje z x g Na 2 SO więc: x = = 68, 27 g Na 2 SO co należało obliczyć. Na koniec warto podąć odpowiedź, jak w każdym zadaniu, w którym jest postawione jakieś pytanie czy problem do rozwiązania.