Wzory sumaryczne i strukturalne związków

Transkrypt

1 Wzory sumaryczne i strukturalne związków H S H 3 PO 4 SO CH 4 H SO 4 OHC H 5 NH Wzory sumaryczne i strukturalne związków H SO 4 CuSO 4 siarczanvi miedziii K SO 4 siarczanvi potasu Fe SO 4 3 siarczanvi żelazaiii 1

2 Odczytywanie równania reakcji Fe 6 HCl FeCl 3 3 H obydwie strony równania muszą się zgadzać, czyli ilość atomów każdego pierwiastka musi być taka sama po obydwu stronach równania powyższe równanie można odczytać na dwa sposoby: dwa atomy żelaza reagują z sześcioma cząsteczkami kwasu chlorowodorowego dając dwie cząsteczki chlorku żelazaiii i 3 cząsteczki wodoru dwa mole żelaza reagują z sześcioma molami kwasu chlorowodorowego dając dwa mole chlorku żelazaiii i trzy mole wodoru cząsteczkowego Stechiometria Ile gramów kwasu siarkowego VI trzeba zużyć do zobojętnienia 0g wodorotlenku sodowego? H SO 4 + NaOH Na SO 4 + H O masa cząsteczkowa H SO 4 = 98g masa cząsteczkowa NaOH = 40g 98g H SO 4 80g NaOH xg H SO 4 0g NaOH xg H SO 4 = 98g 0/80 = 4,5g

3 Reakcje chemiczne, typy reakcji chemicznych równanie reakcji jest symbolicznym zapisem rzeczywistej reakcji chemicznej: aa + bb cc + dd substraty produkty a, b, c, d współczynniki stechiometryczne A B + A B A B A B A B + A B C A C C D A C B D B synteza analiza wymiany Typy reakcji chemicznych reakcja syntezy dwa lub więcej substratów tworzy jeden produkt H + O H O S + O SO CaO + CO CaCO 3 3

4 Typy reakcji chemicznych reakcja analizy jeden substrat rozkłada się na produkty CaCO 3 CaO + CO HgO Hg + O KMnO 4 K MnO 4 + MnO + O Typy reakcji chemicznych reakcja wymiany pojedynczej tylko jeden pierwiastek ulega wymianie w związku podczas reakcji Zn + HCl ZnCl + H Fe + CuSO 4 FeSO 4 + Cu Al + 6HNO 3 AlNO H 4

5 Typy reakcji chemicznych reakcja wymiany podwójnej dwa pierwiastki ulegają wymianie w związku podczas reakcji ZnSO 4 + Na CO 3 ZnCO 3 + Na SO 4 FeOH 3 + H 3 PO 4 FePO 4 + 3H O MgOH + HNO 3 MgNO 3 + H O Reakcje redox reakcja redox nazwa pochodzi od procesów redukcji i utleniania: utlenianie jest związane z utratą elektronu przez atom lub cząsteczkę, czyli podwyższeniem stopnia utlenienia redukcja związana jest z przyjęciem elektronu i obniżeniem redukcją stopnia utlenienia oddają elektrony utlenienie A B A + + B - reduktor utleniacz dawca biorca elektronów elektronów przyjmują elektrony redukcja 5

6 Reguły ustalania stopni utleniania stopień utlenienia wskazuje ile ładunków dodatnich lub ujemnych można przypisać atomowi danego pierwiastka przy założeniu, że tworzy on z atomami drugiego pierwiastka tylko wiązania jonowe 1. stopień utlenienia pierwiastka w stanie wolnym przyjęto za równy zeru. suma stopni utlenienia wszystkich atomów w cząsteczce związku jest równa zeru 3. suma stopni utleniania atomów wchodzących w skład jonu złożonego jest równa ładunkowi tego jonu 4. fluor we wszystkich związkach występuje na stopniu utlenienia 1-5. wodór w zasadzie występuje na stopniu utlenienia 1+, wyjątki stanowią wodorki wszystkich metali oraz niektórych niemetali, na przykład krzemu, arsenu, boru, w których przyjmuje on stopień utlenienia 1-6. tlen występuje tlenki CaO nadtlenki 1- H O ponadtlenki 1 / - KO zwizki dioksygenylowe 1 / + O PtF 6 związki oksygenylowe + OF Ustalanie stopnia utleniania S 4+ O H 1+ S 4+ O 4 [S IV O 3 ] H 1+ S Ba + O 1- O + F 1- Ca + H 1- Al 3+ H 3 1-6

7 [ 1 H] = 1s 1-1ē [H I+ ] = 1s 0 [ 8 O] = 1s s p 4 +ē [O ] = 1s s p 6 [ 16 S] = 1s s p 6 3s 3p 4 +ē [S ] = 1s s p 6 3s 3p 6-4ē [S 4+ ] = 1s s p 6 3s 3p 0-6ē [S 6+ ] = 1s s p 6 3s 0 3p 0 [ 35 Br] = 1s s p 6 3s 3p 6 4s 3d 10 4p 5 +1ē, -3ē, -5ē, -7ē Wartościowość pierwiastka wartościowość oznaczana cyfrą rzymską to liczba wiązań, za pomocą których atomy łączą się ze sobą wiązanie kowalencyjne lub ładunek jonu wiązanie jonowe wartościowość pierwiastka związana jest z liczbą elektronów walencyjnych elektrony walencyjne to elektrony najbardziej oddalone od jądra w atomie 7

8 Wartościowość pierwiastka I grupa wszystkie pierwiastki mają wartościowość I II grupa wszystkie pierwiastki mają wartościowość II III grupa skand III itr III IV grupa tytan III, IV cyrkon IV hafn IV rutherford IV V grupa wanad II, III, IV, V niob II, IV, V' tantal II, IV, V' dubn V VI grupa chrom II, III, VI molibden II rzadko, III, IV, V, VI wolfram II rzadko, III rzadko, IV, V,VI seaborg VI VII grupa mangan II, III, IV, VI, VII technet II rzadko, IV, VII ren II rzadko, III, IV, VI, VII bohr VII VIII grupa żelazo II, III, VI rzadko ruten II, III, IV, VI, VIII rzadko osm III, IV, VI, VIII has VIII IX grupa kobalt II, III rod II rzadko, III, IV, V rzadko, VI rzadko iryd II rzadko, III, IV, V rzadko, VI rzadko X grupa nikiel II, III pallad II, IV platyna II, IV, VI rzadko XI grupa miedź I, II, III rzadko srebro I, II rzadko, III rzadko złoto I, III XII grupa cynk II kadm II rtęć I, II XIII grupa bor III glin III gal III ind I, III tal I, III XIV grupa węgiel II rzadko, IV krzem IV german II rzadko, IV cyna II, IV ołów II, IV XV grupa azot I, II, III, IV, V fosfor III, V arsen III, V antymon III, V bizmut III, V XVI grupa tlen II siarka II, IV, VI selen II, IV, VI tellur II, IV, VI polon II, IV, VI XVII grupa fluor I chlor I, III, V, VII brom I, III, V, VII jod I, III, V, VII Reakcje redox Mg + O MgO 8

9 Uzgadnianie reakcji redoks, 1p Cu + HNO 3 CuNO 3 + NO + H O Cu 0 + H 1+ N 5+ O 3 Cu + N 5+ O 3 + N + O + H 1+ O Cu N 0 Cu e r. utleniania 3e N r. redukcji / 5 3Cu N 0 5 3Cu 6e 6e N / 3 3Cu + 8HNO 3 3CuNO 3 + NO + 4H O Zasada ogólna uzgadniania reakcji redoks zachowana zostaje zarówno liczba atomów każdego rodzaju pierwiastka, jak i liczba elektronów w roztworach wodnych liczby atomów wodoru i tlenu bilansuje się przy użyciu jonów H + aq, OH - i cząsteczek H O reakcje połówkowe utleniania i redukcji bilansuje się oddzielnie, a następnie sumuje wszystkie elektrony użyte w procesie utleniania muszą być zużyte w procesie redukcji 9

10 Uzgadnianie reakcji redoks, p MnO 4 1- aq + H C O 4 aq Mn + aq + CO g Etap 1 r. redukcji manganvii w MnO 4 1- manganii w Mn + r. utlenienia węgieliii w H C O 4 kwas szczawiowy węgieliv w CO Etap zapis reakcji połówkowych r. redukcji MnO 4 1- Mn + r. utlenienia H C O 4 CO Etap 3 zbilansowanie pierwiastków z wyjątkiem H i O r. redukcji MnO 4 1- Mn + r. utlenienia H C O 4 CO Etap 4 zbilansowanie atomów O, poprzez dopisanie H O r. redukcji MnO 4 1- Mn H O r. utlenienia H C O 4 CO zbilansowanie atomów H, poprzez dopisanie H 1+ r. redukcji MnO H 1+ Mn H O r. utlenienia H C O 4 CO + H 1+ 10

11 Etap 5 zbilansowanie ładunku elektrycznego r. redukcji MnO H e - Mn H O r. utlenienia H C O 4 CO + H 1+ + e - Etap 6 mnożenie równań reakcji połówkowych i dodawanie r. redukcji MnO H e - Mn H O / r. utlenienia H C O 4 CO + H 1+ + e - / 5 MnO H C O H 1+ Mn H O + 10 CO + 10 H 1+ Etap 7 upraszczanie MnO H C O H 1+ Mn H O + 10 CO Uzgadnianie reakcji redoks, 3p Cr O 7 + I 1- Cr 3+ + I Etap 1 r. redukcji chromvi w Cr O 7 chromiii w Cr 3+ r. utlenienia jod-i w I 1- jod0 w I Etap zapis reakcji połówkowych r. redukcji Cr O 7 Cr 3+ r. utlenienia I 1- I 0 11

12 Etapy 3 6 Cr O 7 Cr 3+ I 1- I Cr O 7 Cr H O I 1- I Cr O H 1+ Cr H O I 1- I Cr O H e - Cr H O I 1- I + e - / 3 Cr O H I 1- Cr I + 7 H O jeśli reakcja przebiega w roztworze zasadowym, to jony H + występujące w uzgodnionym równaniu możemy zastąpić jonami OH - 4 H 1+ + H O + CrO 4 + 3SO 3 CrOH SO 4 dodajemy 4 OH - do obu stron równania 4 OH H + + H O + CrO 4 + 3SO 3 CrOH SO OH - 5 H O + CrO 4 + 3SO 3 CrOH SO OH - 1

13 Uzgadnianie reakcji redoks, 4p H SO 3 + Cl H SO 4 + HCl Etap 1 r. utlenienia siarkaiv w H SO 3 siarkavi w H SO 4 r. redukcji chlor0 w Cl chlor-i w Cl - Etap zapis reakcji połówkowych SO 3 SO 4 Cl Cl - Etap 3 zbilansowanie pierwiastków z wyjątkiem H i O SO 3 SO 4 Cl 0 Cl - Etap 4 zbilansowanie atomów O, poprzez dopisanie H O SO 3 + H O SO 4 Cl 0 Cl - zbilansowanie atomów H, poprzez dopisanie H + SO 3 + H O SO 4 + H + Cl 0 Cl - 13

14 Etap 5 zbilansowanie ładunku elektrycznego SO 3 + H O SO 4 + H + + e - Cl 0 + e - Cl 1- Etap 6 dodawanie równań reakcji połówkowych SO 3 + Cl 0 + H O + e - SO 4 + H + + e - + Cl 1- Etap 7 upraszczanie SO 3 + Cl 0 + H O SO 4 + HCl Kinetyka reakcji szybka wolna reakcja chemiczna 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 badaniem szybkości reakcji chemicznych poprzez analizę 14

15 Równanie kinetyczne reakcji równanie kinetyczne jest matematycznym zapisem wiążącym szybkość reakcji ze stężeniami reagentów aa + bb + cc produkty v = k[a] x [B] y [C] z v szybkość reakcji k stała szybkości reakcji k duże reakcja szybka, k małe m reakcja wolna x, y, z rząd reakcji, odpowiednio, względem składnika A, B i C wartość: 0, 1,, itd. x + y + z sumaryczny rząd reakcji Równanie kinetyczne reakcji HI H + I v = k [HI] rząd reakcji względem HI = sumaryczny rząd reakcji = NO + H N + H O v = k [NO] [H ] 1 rząd reakcji względem NO = rząd reakcji względem H = 1 sumaryczny rząd reakcji = 3 NH 3 N + 3H v = k [NH 3 ] 0 = k rząd reakcji względem NH = 0 sumaryczny rząd reakcji = 0 N O 5 N O / O v = k [N O 5 ] 1 rząd reakcji względem N O 5 = 1 sumaryczny rząd reakcji = 1 15

16 Szybkość reakcji szybkość reakcji chemicznej jest definiowana jako zmiana stężenia w czasie: stężenie substratu [mol/l] v tg t czas [h] stężenie produktu [mol/l] v tg t czas [h] Szybkość reakcji szybkość reakcji chemicznej zależy od częstości tzw. zderzeń efektywnych cząstek chemicznych, tzn. zderzeń prowadzących do zajścia reakcji zderzenie efektywne może nastąpić tylko wówczas, gdy cząstki chemiczne obdarzone są dostatecznie dużą energią, tzw. energią aktywacji reakcja endotermiczna reakcja egzotermiczna energia energia aktywacji, E A energia reagentów postęp reakcji energia produktów energia pobrana, ciepło reakcji H < 0 energia energia aktywacji, E A energia reagentów postęp reakcji energia wydzielona, ciepło reakcji H > 0 energia produktów 16

17 Szybkość reakcji reakcja: HI + H O I + H O wolno etap 1: HI + H O HIO + H O wolny etap : HIO + HI H O + I szybki całkowita szybkość reakcji zależy od etapu najwolniejszego Czynniki wpływające na szybkość reakcji stężenia reagentów temperatura zależność Arhenius k A e E A RT k stała szybkości reakcji A stała, charakterystyczna dla reakcji E A energia aktywacji R stała gazowa T temperatura

18 Czynniki wpływające na szybkość reakcji ciśnienie jeśli reagenty są gazami ph Czynniki wpływające na szybkość reakcji dodatek katalizatora kataliza homogeniczna katalizator jest w tej samej fazie co reagenty O aq kat, Fe aq O H O H g 18

19 Czynniki wpływające na szybkość reakcji dodatek katalizatora kataliza heterogeniczna katalizator jest w innej fazie aniżeli reagenty kat, Cu s O 0 O H O aq H g Kataliza katalizator jest to substancja zwiększająca szybkość reakcji, ale pozostająca po reakcji w niezmienionym stanie po dodaniu katalizatora: sumarycznie: AK A A A B K B B AB AK AB K kat. A 19

20 Czynniki wpływające na szybkość reakcji promieniowanie elektromagnetyczne reakcja: H + Br HBr etap 1: etap : etap 3: Br Br Br + H HBr + H H + Br HBr + Br etap 4: Br Br rozwinięcie powierzchni Statyka chemiczna reakcja odwracalna może być wyrażona poprzez dwa równania: A 1 v B C D C v D A B v1 v A B C D stan równowagi chemicznej szybkość ilość szybkość reakcji szybkość reakcji odwrotnej substraty produkty równe szybkości reakcji czas równowaga: brak zmiany w stężeniach czas 0

21 Stała równowagi prawo działania mas Guldberga - Waage go: k v v a b 1 k1 c A cb c d k c C cd v1 v a b c d 1 c A cb k cc cd k k 1 c c c C a A c c d D b B w stanie równowagi chemicznej stosunek iloczynu stężeń produktów podniesionych do odpowiednich potęg do iloczynu stężeń substratów podniesionych do odpowiednich potęg jest wielkością stałą w danych warunkach temperatury i ciśnienia H +I K = c HI c HI c H I N + 3H NH3 c K = c N NH 3 c 3 H 1

22 zależność między stałą równowagi a entalpią swobodną: K = e ΔG 0 RT stała równowagi zależy od temperatury; jej zależność określa równanie van't Hoffa: d lnk dt = ΔH RT Reguła Le Châtelier a - Brauna jeśli zmienimy jakiś parametr w układzie będącym w stanie równowagi chemicznej to układ ten będzie przeciwdziałał tym zmianom Cr O 7 + H O CrO 4 + H + pomarańczowy żółty + H + + OH - H O H + N O 4 g NO g bezbarwny brązowy T T