Reakcje chemiczne Literatura: L. Jones, P. Atkins Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje. Lesław Huppenthal, Alicja Kościelecka, Zbigniew Wojtczak Chemia ogólna i analityczna dla studentów biologii. Lech Pajdowski Chemia ogólna. Adam Bielański Podstawy chemii ogólnej i nieorganicznej.
Reakcje chemiczne Reakcja chemiczna proces, w wyniku którego pierwotna substancja zwana substratem przemienia się w inną, zwaną produktem. Aby cząsteczka substratu zamieniła się w cząsteczkę produktu konieczne jest rozerwanie przynajmniej jednego z obecnych w niej wiązań chemicznych pomiędzy atomami, bądź też utworzenie się przynajmniej jednego nowego wiązania. Rodzaje reakcji: przebiegające z wydzieleniem (egzotermiczne) przebiegające z pochłonięciem energii (endotermiczne) przebiegające bez zmiany stopnia utlenienia pierwiastków (reakcje kwas - zasada) przebiegające ze zmianą stopnia utlenienia pierwiastków (reakcje utleniacz - reduktor) Typ reakcji Schemat Przykłady Reakcja syntezy X + Y XY CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 H 2 CO 3 + BaCO 3 Ba(HCO 3 ) 2 Reakcja rozkładu (analizy) XY X + Y ZnCO 3 ZnO + CO 2 Reakcja wymiany X + YA XA + Y Zn 0 + Cu +2 SO 4 Zn +2 SO 4 + Cu 0 C + ZnO CO + Zn O 2 + HgS SO 2 + Hg Reakcja podwójnej NaOH + HCl NaCl + HOH XA + YB XB + YA wymiany NaCl + AgNO 3 NaNO 3 + AgCl
Reakcje chemiczne Reakcje kwas - zasada Teoria Arrheniusa (1887): - kwas to związek oddający w roztworach wodnych kationy H +, HCl = H + + Cl - zasada to związek oddający w roztworach wodnych aniony OH, NaOH = Na + + OH Teoria Brönsteda Lowry ego (1923): - kwasy to donory protonów (H + ) HNO 3 = H + + NO 3 - zasady to akceptory protonów (H + ) NH 3 + H + = NH 4 + Teoria Lewisa (1923): - kwasy to akceptory elektronów, np.: AlCl 3 + Cl 2 = AlCl 4 + Cl + - zasady to donory elektronów, np.: H 2 O + H + = H 3 O +
Reakcje chemiczne Sprzężenie kwas - zasada Substancja wykazuje właściwości chemiczne tylko wtedy, gdy bierze udział w reakcji chemicznej. Wykazuje właściwości kwasowe, gdy w środowisku reakcji znajduje się zasada lub właściwości zasadowe, gdy w środowisku reakcji znajduje się kwas.
Reakcje chemiczne Reakcje kwas - zasada Procesy chemiczne zachodzące w oparciu o teorie kwasów i zasad: dysocjacja elektrolityczna - rozpad cząsteczek na jony w wyniku oddziaływania z cząsteczkami wody Na 2 SO 4 2 Na + + SO 4 2 ale NH 4 OH = NH 4 + + OH reakcje zobojętniania Ca(OH) 2 + HCl = CaCl 2 + H 2 O amfoteryczność Pb 2+ aq + 4OH = [Pb(OH) 4 ] 2 + H 2 O Fe 2+ + 6 CN [Fe(CN) 6 ] 4 hydroliza soli NH 4 Cl NH + 4 + Cl i dalej NH + 4 + H 2 O = NH 4 OH + H + wytrącanie trudno rozpuszczalnych w wodzie osadów Ag + aq + Cl = AgCl + H 2 O (anion Cl wypiera ze sfery koordynacyjnej kationu wodę i powstaje elektrycznie obojętna cząsteczka.)
Reakcje chemiczne Reakcje utleniania i redukcji Zachodzą ze zmianą stopnia utlenienia pierwiastków. Stopnie utlenienia pierwiastków: - w cząsteczce amoniaku: - w cząsteczce aldehydu octowego: - w jonie dichromianowym:
Reakcje utleniania i redukcji UTLENIANIE wzrost stopnia utlenienia REDUKCJA obniżenie stopnia utlenienia 0 0 I 2Na + Cl 2 2Na + -I + Cl - forma zredukowana sodu UTLENIANIE forma utleniona sodu forma utleniona chloru REDUKCJA forma zredukowana chloru UTLENIACZ przyjmuje elektrony REDUKTOR oddaje elektrony
Reakcje utleniania i redukcji Reguły służące do wyznaczania stopnia utlenienia pierwiastka 1. Pierwiastki w stanie wolnym (O 2, Ca) 0 2. Proste jony (Na +, Cu 2+, Al 3+, Cl, S 2 ) ładunek jonu 3. Suma stopni utlenienia w cząsteczce 0 4. Suma stopni utlenienia w jonie ładunek jonu 5. Wodór w związkach +1 Wyjątek: wodorki (NaH, MgH 2 ) 1 6. Tlen w związkach 2 Wyjątki: nadtlenki (H 2 O 2 ) 1 ponadtlenki (KO 2 ) ½ fluorek tlenu (OF 2 ) +2 7. Formalny stopień utlenienia nie musi być liczbą całkowitą i może mieć wartości ułamkowe 8. W związkach organicznych połączenie węgiel-węgiel traktujemy jako 0 (bez względu na liczbę wiązań)!!!
Reakcje utleniania i redukcji Przykłady obliczania stopni utlenienia: Suma stopni utlenienia w cząsteczce = 0 a) Siarka w H 2 SO 3 : 2 ( I) 1 x 3 (-II) = 0 H 2 SO 3 x = +IV Suma stopni utlenienia w jonie = ładunek jonu b) Siarka w S 2 O 3 2- : 2 x 3 (-II) = 2 S 2 O 3 2- x = +II O II formalny stopień utlenienia! S II c) Żelazo w Fe 3 O 4 : 3 x + 4 (-II) = 0 S +VI FeO Fe 2 O 3 Fe +II Fe +III formalny stopień utlenienia! x = VIII/III, SO 4 2- S 2 O 3 2-
Reakcje utleniania i redukcji Na podstawie stopni utlenienia DOBIERANIA WSPÓŁCZYNNIKÓW REAKCJI a) stopnie utlenienia znane: III +I 0 +II II +I II b) stopnie utlenienia wyliczone: c) pierwiastki zmieniające stopień utlenienia: III +II NH 3 + O 2 = NO + H 2 O UTLENIANIE d) liczba wymienianych elektronów: N 3 N +2 e) uzgodnienie liczby elektronów oddanych z pobranymi: 0 II REDUKCJA + 5e O 0 2 + 4e 2O 2 f) równanie końcowe: 4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O 4 5 g) sprawdzenie liczności pierwiastków po obydwu stronach równania: N: 4 = 4 O: 5 2 = 4 + 6 H: 4 3 = 6 2
Reakcje utleniania i redukcji - rodzaje 1. Przebiegające w środowisku kwaśnym MnO 4 + NO 2 + H + = Mn 2+ + NO 3 + H 2 O 2. Przebiegające w środowisku zasadowym Zn + NO 3 + OH = [Zn(OH) 4 ] 2 + NH 3 3. Przebiegające w środowisku obojętnym Sn 2+ + Hg 2+ = Sn 4+ + Hg 4. Dysproporcjonowania S 2 O 2 3 + OH = SO 2 4 + S 2 współczynniki? współczynniki? współczynniki? współczynniki? 5. Utleniania substancji, w których reduktorem są atomy różnych pierwiastków lub atomy tego samego pierwiastka na różnych stopniach utlenienia Cu 2 S + 10 NO 3 + 12 H + = 2 Cu 2+ + SO 4 2 + 10 NO 2 + 6 H 2 O
Reakcje utleniania i redukcji - rodzaje Reakcja w środowisku obojętnym redukcja 6elektronów 2KMnO 3K2SO3 H2O 2MnO2 3K2SO4 4 2KOH utlenianie 6elektronów Reakcja w środowisku kwaśnym redukcja 10elektronów 2KMnO 4 5K2SO3 3H2SO4 2MnSO 4 6K2SO4 3H2O Reakcja w środowisku zasadowym utlenianie 10 elektronów redukcja 2e 2KMnO 4 K2SO3 2KOH K2MnO 4 K2SO 4 H2O utlenianie 2 elektrony