Zapis równań reakcji chemicznych oraz ich uzgadnianie Równanie reakcji chemicznej jest symbolicznym zapisem reakcji przy uŝyciu symboli wzorów oraz odpowiednich współczynników i znaków. Obrazuje ono przebieg przemiany zarówno pod kątem jakościowym jak i ilościowym, co oznacza, Ŝe oprócz tego jakie substancje biorą udział w reakcji podaje nam w jakiej ilości. Postaram się na przykładach pokazać w jaki sposób zapisywać a następnie uzgadniać i interpretować ilościowo i jakościowo równania reakcji chemicznych o róŝnym stopniu trudności. Dla kaŝdego przykładu przedstawione zostaną: - zapis równania reakcji przy wykorzystaniu wzorów chemicznych oraz modeli - sposób uzgadniania równania reakcji, czyli uzupełniania w nich współczynników stechiometrycznych - końcowy zapis równania za pomocą wzorów oraz modeli - interpretacja jakościowa (atomowo cząsteczkowa) równania reakcji - interpretacja ilościowa (masowa) równania reakcji Weźmy sobie taki bardzo prosty przykład: Słowny zapis wygląda następująco: Ŝelazo + siarka siarczek Ŝelaza (II) Typowy zapis równania reakcji wygląda następująco: Fe + S FeS A taki jest zapis modelowy: 1 atom Ŝelaza łączy się z 1 atomem siarki w wyniku czego powstaje 1 cząsteczka siarczku Ŝelaza (II) 56 u Ŝelaza łączy się z 32 u siarki i powstaje 88 u siarczku Ŝelaza Trochę trudniej wygląda to w przypadku takim jak ten: Ŝelazo + siarka siarczek Ŝelaza (III) modelowo przedstawia się to następująco: czyli: Fe + S Fe 2 S 3 Widzimy zatem, ze czegoś nam tu brakuje. Po prawej stronie mamy 3 atomy siarki i 2 atomy Ŝelaza a po lewej po jednym. Musimy zatem wprowadzić odpowiednie współczynniki, aby ilośc atomów po obu stronach była taka sama. Podwojenie liczby atomów Ŝelaza i potrojenie siarki da nam taki efekt. I gotowe równanie wygląda tak: 2 Fe + 3 S Fe 2 S 3 Strona 1
A zatem otrzymujemy następujący zapis modelowy: 2 atomy Ŝelaza łączą się z 3 atomami siarki w wyniku czego powstaje 1 cząsteczka siarczku Ŝelaza (III) 112 u Ŝelaza łączy się z 96 u siarki i powstaje 208 u siarczku Ŝelaza Zastanówmy się, gdy pojawiają się wśród substratów dwuatomowe cząsteczki pierwiastka, np. tlenu: miedź + tlen tlenek miedzi (I) Modelowo oraz za pomocą wzoru przedstawia się to tak: Cu + O 2 Cu 2 O Ale widać, Ŝe powyŝszy zapis nie oddaje pełnego przebiegu reakcji. Jeśli przereagują oba atomy tlenu, budujące cząsteczkę, powstać muszą 2 cząsteczki tlenku, a zatem przed tym produktem musimy wpisać współczynnik stechiometryczny 2: Cu + O 2 2 Cu 2 O To jeszcze nie wszystko, gdyŝ do zbudowania 2 cząsteczek produktu niezbędne są 4 atomy miedzi. Musimy zatem przed miedzią wprowadzić współczynnik 4: 4 Cu + O 2 2 Cu 2 O Poprawny zapis modelowy potwierdza konieczność wprowadzenia współczynników do równania: 4 atomy miedzi łączą się z dwuatomowa cząsteczką tlenu w wyniku czego powstają 2 cząsteczki tlenku miedzi (I) 254 u miedzi łączą się z 32 u tlenu i powstaje 286 u tlenku miedzi (I) Strona 2
Kolejny przykład będzie dość podobny do poprzedniego: glin + tlen tlenek glinu Al + O 2 Al 2 O 3 Widzimy zatem, Ŝe w cząsteczce produktu mamy 2 atomy glinu i 3 atomy tlenu a po stronie substratów 1 atom glinu i dwuatomowa cząsteczkę tlenu. śeby uzgodnić równanie naleŝy znaleźć wspólną wielokrotność ilości atomów tlenu po lewej i po prawej stronie. Dla 2 i 3 wielokrotnością tą jest 6, a zatem wprowadzamy takie współczynniki, które dadzą nam 6 atomów glinu po prawej i po lewej stronie równania: Al + 3 O 2 2 Al 2 O 3 Na koniec wprowadzamy współczynnik 4 przed Al, aby po obu stronach były po 4 atomy tego pierwiastka: 4 Al + 3 O 2 2 Al 2 O 3 4 atomy glinu łączą się z 3 cząsteczkami tlenu w wyniku czego powstają 2 cząsteczki tlenku glinu 108 u glinu łączy się z 96 u tlenu i powstają 204 u tlenku glinu Kolejne przykłady pokaŝą w jaki sposób poradzić sobie moŝna z równaniem, gdy oba substraty są w postaci cząsteczek: tlenek siarki (IV) + tlen tlenek siarki (VI) SO 2 + O 2 SO 3 Zastanówmy się ile atomów tlenu naleŝy dodać do SO 2, aby otrzymać SO 3. Wychodzi, Ŝe do przekształcenia 1 cząsteczki potrzebny jest 1 atom tlenu, a my dysponujemy dwuatomową cząsteczką. MoŜemy zatem wziąć 2 cząsteczki tlenku SO 2 i wtedy wykorzystamy oba atomy tlenu i uzyskamy 2 cząsteczki SO 3. 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 Strona 3
2 cząsteczki tlenku siarki (IV) łączą się z 1 cząsteczką tlenu i powstają 2 cząsteczki tlenku siarki (VI) 128 u tlenku siarki (IV) łączy się z 32 u tlenu i powstaje 160 u tlenku siarki (VI) I jeszcze przykład reakcji rozkładu, czyli analizy tlenku jodu (V): tlenek jodu (V) jod + tlen I 2 O 5 I 2 + O 2 W tym przykładzie początkowo ilość atomów jodu się zgadza, natomiast po stronie substratów jest 5 atomów tlenu, a po stronie produktów - 2. Aby uzgodnić równanie naleŝy najpierw znaleźć wspólną wielokrotność dla 2 i 5, czyli 10. W tym celu ilość cząsteczek tlenku mnoŝymy przez 2 a cząsteczek tlenu przez 5. 2 I 2 O 5 I 2 + 5 O 2 Aby wszystko się zgadzało, podwajamy ilość cząsteczek jodu. 2 I 2 O 5 2 I 2 + 5 O 2 2 cząsteczki tlenku jodu (V) ulegają rozkładowi na 2 cząsteczki jodu i 5 cząsteczek tlenu 668 u tlenku jodu (V) ulega rozkładowi na 508 u jodu i 160 tlenu W następnej kolejności przeanalizujmy kilka przykładów reakcji wymiany. Oto pierwszy z nich: Przykład 1: metan + tlen dwutlenek węgla (tlenek węgla (IV) ) + woda (tlenek wodoru) Strona 4
Początkowe równanie wygląda następująco: CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O PoniewaŜ atomy tlenu wchodzą w skład 3 róŝnych reagentów, bilansowanie reakcji rozpoczynamy od atomów wodoru i podwajamy ich liczbę w produktach CH 4 + O 2 CO 2 + 2 H 2 O Teraz liczymy atomy tlenu i zauwaŝamy, ze naleŝy podwoić ich liczbę po stronie substratów, biorąc 2 cząsteczki. CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O 1 cząsteczka metanu reaguje z 2 cząsteczkami tlenu w wyniku czego powstaje 1 cząsteczka dwutlenku węgla i 2 cząsteczki wody 16 u metanu reaguje z 64 u tlenu w wyniku czego powstają 44 u dwutlenku węgla i 36 u wody Przykład 2: tlenek miedzi (I) + węgiel miedź + dwutlenek węgla Cu 2 O + C Cu + CO 2 PoniewaŜ atomy tlenu najwyŝsze indeksy stechiometryczne są przy atomach miedzi i tlenu musimy podjąć decyzje od którego z nich zaczynamy uzgadnianie równania. Z pomocą przychodzi nam fakt, Ŝe tlen po obu stronach równania jest w postaci związanej i dlatego zaczynamy od niego. Podwajamy zatem ilość atomów tlenu w substratach: 2 Cu 2 O + C Cu + CO 2 Aby poprawnie uzupełnić współczynniki musimy jeszcze w produktach uwzględnić 4 atomy miedzi. 2 Cu 2 O + C 4 Cu + CO 2 Strona 5
2 cząsteczki tlenku miedzi (I) reagują z 1 atomem węgla w wyniku czego powstają 4 atomy metalicznej miedzi i 1 cząsteczka dwutlenku węgla 286 u tlenku miedzi (I) reaguje z 12 u węgla w wyniku czego powstają 254 u miedzi i 44 u dwutlenku węgla Przykład 3: amoniak + tlen tlenek azotu (II) + woda NH 3 + O 2 NO + H 2 O Uzgadnianie rozpoczynamy od wodoru, gdyŝ tlen występuje w 3 miejscach równania. Ustalamy wspólną wielokrotność wodorów jako 6, a zatem musimy wziąć 2 cząsteczki amoniaku (w substratach) i 3 cząsteczki wody (w produktach) 2 NH 3 + O 2 NO + 3 H 2 O Otrzymujemy zatem po prawej stronie 2 cząsteczki tlenku azotu (II): 2 NH 3 + O 2 2 NO + 3 H 2 O Po obliczeniu ilości atomów tlenu w produktach otrzymujemy 5 atomów, a zatem w substratach naleŝałoby wpisać 2,5 cząsteczki tlenu: 2 NH 3 + 2,5 O 2 2 NO + 3 H 2 O Aby pozbyć się ułamka podwajamy wszystkie współczynniki stechiometryczne, analogicznie jak w równaniu matematycznym: 4 NH 3 + 5 O 2 4 NO + 6 H 2 O 4 cząsteczki amoniaku reagują z 5 cząsteczkami tlenu w wyniku czego powstają 4 cząsteczki tlenku azotu (II) i 6 cząsteczek wody 68 u amoniaku reaguje z 160 u tlenu w wyniku czego powstaje 120 u tlenku azotu (II) i 108 u wody Strona 6 Przygotował: mgr inŝ. Bartosz Stasicki