INSTYTUT MATERIAŁÓW IN YNIERSKICH I
BIOMEDYCZNYCH
Zakład Zarz dzania Jako ci
Wydział Mechaniczny Technologiczny
POLITECHNIKA L SKA
INSTRUKCJA DO WICZE LABORATORYJNYCH
wiczenie nr 3
Temat:
REAKCJE WYMIANY I KATALITYCZNE
Przedmiot:
Kierunek:
CHEMIA OGÓLNA
ZiIP, ZZiIP, ZETI
W olbrzymiej ró norodno ci notowanych w przyrodzie zjawisk mo na wyró ni ich
dwa rodzaje: fizyczne i chemiczne. Zjawiska fizyczne to przemiany z zachowaniem niezmienionego składu materii. W czasie przebiegu zjawiska fizycznego np.
topnienie, rozpuszczanie, rozdrabnianie, substancje zmieniaj swoje własno ci
fizyczne. Zjawiskami (reakcjami) chemicznymi nazywamy przemiany , w których dokonuje si zmiany istoty i własno ci materii. Rezultatem takich przemian jest
powstawanie substancji o nowych odmiennych własno ciach. Przykładem jest
spalanie w gla w tlenie.
Substancje s to jednorodne rodzaje materii, maj ce w ka dym przypadku
okre lony i niezmienny skład chemiczny (pierwiastek, zwi zek chemiczny).
Substancje, które ulegaj przemianie w reakcji chemicznej nazywamy substratami,
a te które powstaj w wyniku tej przemiany – produktami reakcji.
Ró norodno
reakcji chemicznych zmusza do sklasyfikowania ich w pewne grupy.
Reakcje chemiczne mo na sklasyfikowa według ró nych kryteriów. Kryterium
podziału mo e stanowi :
a) typ zachodz cej przemiany,
b) zdolno
do przył czania lub oddawania elektronów,
c) rodzaj aktywnych cz stek reaguj cych i mechanizm reakcji,
d) stan fazowy substratów i produktów reakcji,
e) stan energetyczny reakcji,
f) odwracalno
reakcji
Reakcje syntezy i rozkładu
Reakcja syntezy (przył czania)
Synteza jest reakcj , w której z dwu lub wi cej substancji prostych powstaje jedna
nowa substancja bardziej zło ona:
A + B = AB
A + B + C = ABC
C + O2 = CO2
Ca + CO2 = CaCO3
N2O5 + H2O = 2HNO3
Szczególnym przypadkiem reakcji syntezy s procesy ł czenia si cz steczek tego
samego rodzaju w wi ksze. Ten rodzaj syntezy nazywany jest polimeryzacj ,
a produktem tej rekcji jest polimer.
nCH2=CHCl = (-CH2-CHCl-)n
chlorek winylu = polichlorek winylu
Reakcja rozkładu (analizy)
Poj cie analizy jest odwrotno ci poj cia syntezy. W reakcjach rozkładu dany
zwi zek chemiczny pod wpływem ró nych czynników ulega rozkładowi na prostsze
atomy lub cz steczki.
AB = A + B
Przykładami reakcji analizy s :
- dysocjacja termiczna - rozkład zwi zku chemicznego pod wpływem działania
podwy szonej temperatury
CaCO3 = CaO + CO2
temperatura reakcji 950°C
- elektroliza – rozkład zwi zku chemicznego w stanie stopionym lub rozpuszczonym
w wodzie pod wpływem działania stałego pr du elektrycznego
PbCl2 = Pb + Cl2
2NaCl = 2Na + Cl2
- fotoliza – rozkład zwi zku chemicznego pod wpływem wiatła
2AgCl = 2Al + Cl2
- radioliza – rozkład zwi zku chemicznego pod wpływem promieniowania
jonizuj cego (promieniowanie rentgenowskie γ, kosmiczne, elektronowe).
Reakcje wymiany i katalityczne
Reakcje wymiany – s to reakcje, w których poszczególne składniki działaj cych na
siebie zwi zków chemicznych ulegaj wymianie tworz c nowe zwi zki chemiczne.
Reakcje wymiany mo na podzieli na dwie grupy:
- reakcje wymiany pojedynczej (podstawienia)
A + BC = AB + C
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
2K + 2H2O = 2KOH + H2
- reakcje wymiany podwójnej
AB + CD = AD + CB
HNO3 + KOH = KNO3 + H2O
2NaCl + H2SO4 = Na2SO4 + 2HCl
Reakcje katalityczne s to reakcje, w których bierze udział katalizator czyli
substancja wpływaj ca na kinetyk (przyspieszenie lub spowolnienie) reakcji.
Katalizator nie jest zu ywany w reakcji i nie wyst puje w jej równaniu.
katalizator
CH2CH2 + H2 = CH3CH3
Reakcja atomowe, jonowe cz steczkowe i rodnikowe
Reagenty bior ce udział w reakcji mog mie ró ny charakter i dlatego te
rozró niamy reakcje atomowe, jonowe cz steczkowe i rodnikowe.
- reakcje atomowe – to reakcje w których reagentami s tylko wolne atomy
H + H = H2
lub gdy przynajmniej jeden z reagentów wyst puje w postaci wolnych atomów, które
reaguj z:
- cz steczkami,
2Na + Cl2 = 2NaCl
- jonami,
Fe + Cu2+ = Fe2+ + Cu
- wolnymi rodnikami.
H + C2H5 = C2H6
- reakcje jonowe –przebiegaj pomi dzy jonami przewa nie w roztworach wodnych i
w innych rozpuszczalnikach polarnych.
2H+ + SO 2-
4 + Ba2+ + 2Cl- = BaSO4 + 2H+ + 2Cl-
- reakcje cz steczkowe – to reakcje, w których reagenty wyst puj w postaci
cz steczek, lub reakcje w których przynajmniej jeden z reagentów wyst puj w
postaci cz steczek i reaguje z:
- atomami,
J2 + H2 = 2HJ
- jonami,
2SO2 + O2 = 2SO3
- wolnymi rodnikami.
Cl2 + H = Cl + HCl
Reakcje cz steczkowe przebiegaj w fazie gazowej, rzadziej roztworach
rozpuszczalników niepolarnych, s do
powolne.
- reakcje rodnikowe – reakcje te zachodz wtedy, gdy pod wpływem energii
(najcz
ciej promieniowania elektromagnetycznego) nast puje rozbicie trwałej
cz steczki na nietrwałe rodniki. Reakcja taka składa si z kilku etapów:
- tworzenia rodników,
Cl2 + hν = 2Cl
H2 + hν = 2H
- reakcja rodnikowa,
Cl2 + H = HCl + Cl
H2 + Cl = HCl + H
- rekombinacja rodników.
Cl + H = HCl
Reakcje homogeniczne i heterogeniczne
- reakcje homogeniczne (jednofazowe) s to reakcje, w których wszystkie substraty
i produkty znajduj si w tej samej fazie np. reakcje w roztworach, które całkowicie
si ze sob mieszaj lub reakcje zachodz ce w całej obj to ci gazu bez udziału
powierzchni granicznej.
2NaOH + HCl = NaCl + H2O
- reakcje heterogeniczne (wielofazowe) przebiegaj na granicy dwu faz. Reakcje
takie zachodz je eli:
- reaguj ce substraty znajduj si w ró nych fazach,
C(s)+ O2(g) = CO2(g)
- powstaj cy produkt jest w innej fazie ni substraty,
Ag+ (r-r) + Cl- (r-r) = AgCl(s)
- substraty reaguj ze sob w stanie stałym i produktem reakcji jest równie ciało
stałe.
Fe2O3(s) + ZnO(s) = ZnFe2O4(s)
Do reakcji heterogenicznych zalicza si te takie procesy, w których wszystkie
składniki znajduj si w fazie gazowej , ale reakcja mi dzy gazowymi cz steczkami
przebiega nie w całej obj to ci, lecz jedynie na powierzchni granicznej innej fazy, np.
na powierzchni ciała stałego.
N2(g) + 3H2(g) = 2NH3(g)
przebiega na powierzchni katalizatora
Reakcje egzotermiczne i endotermiczne
Reakcjom chemicznym towarzyszy wymiana energii z otoczeniem. Mo e to by
energia cieplna, elektryczna lub promieniowania elektromagnetycznego. Reakcje chemiczne przebiegaj ce samorzutnie z wydzieleniem energii nazywamy reakcjami
egzotermicznymi,
C + O2 = CO2
+ 394kJ
natomiast reakcje do których trzeba doprowadza energi nazywamy reakcjami
endotermicznymi.
2Ag2O = 4Ag + O2
- 60kJ
Energia cieplna jest najcz
ciej spotykan form energii wydzielanej lub pobieranej.
Innymi typami energii, która powinna by doprowadzana do układu s :
- pr d elektryczny – reakcje elektrochemiczne,
- promieniowanie wietlne – reakcje fotochemiczne,
- promieniowanie jonizuj ce – reakcje radiacyjno-chemiczne,
- ultrad wi ki – reakcje sonochemiczne (fonochemicne)
Reakcja odwracalne i nieodwracalne
Reakcj nazywamy odwracaln je eli w jej wyniku ustala si okre lony stan
równowagi, w którym współistniej produkty i substraty:
A + B = C + D
H2 + J2 = 2HJ
W reakcjach nieodwracalnych teoretycznie cała masa substratów reakcji ulega przeobra eniu w produkty.
A + B
C + D
Rozpatruj c reakcje nieodwracalne nale y zda sobie spraw , e w praktyce reakcje
te zachodz do ko ca tylko w niewielu przypadkach. Z reakcjami praktycznie
nieodwracalnymi mamy do czynienia wtedy, je li jeden z produktów jest usuwany ze
rodowiska reakcji:
- reakcje przebiegaj ce z wytworzeniem ulatniaj cego si gazu
CaCO3
CaO + CO2 ↑
- reakcje jonowe w wyniku, których tworzy si substancja bardzo słabo zdysocjowana
(woda w reakcji zoboj tnienia) lub bardzo słabo rozpuszczalna (str cenie osadu)
HCl + NaOH = NaCl + H2O
AgNO3 + NaCl = AgCl ↓ + NaNO3
CZ
DO WIADCZALNA
Zadanie:
Zapoznanie studentów z okre laniem typu reakcji chemicznej na podstawie
wybranych do wiadcze chemicznych, reakcje syntezy i rozkładu, reakcje
wymiany i katalityczne, reakcje homo i heterogeniczne.
1. Wyposa enie stanowiska
• Stanowisko 1: probówka szklana, siarczan (IV) sodu, 1M kwas siarkowy (VI),
• Stanowisko 2: probówka szklana, sól amonowa, wodorotlenek sodu papierki lakmusowe,
• Stanowisko 3: zlewka szklana 200 ml, siarczan (VI) miedzi, wodorotlenek sodu, s czek, lejek,
• Stanowisko 4: probówka szklana, granulowany Zn, siarczan (VI) miedzi,
• Stanowisko 5: probówka szklana, granulowany Mg (Fe, Zn), kwas solny,
• Stanowisko 6: dwie probówki, 3% r-r nadtlenku wodoru, dwutlenek manganu,
• Umie ci w probówce ok. 0.2 g siarczanu sodu (IV), a nast pnie wla 1 cm3
1M kwasu siarkowego, OSTRO NIE! Poda równanie reakcji,
• Umie ci w probówce ok. 0.2 g soli amonowej, powoli doda 1 cm3 NaOH,
obecno
wydzielaj cego si gazu stwierdzi za pomoc powonienia lub
wilgotnego papierka lakmusowego, poda równanie reakcji,
• Do zlewki wla wodny r-r siarczanu miedzi (VI) i doda kroplami wodnego
roztworu NaOH, zawarto
zlewki przenie
na s czek, po ods czeniu
przemy wod , poda równanie reakcji,
• Umie ci w probówce kilka granulek cynku, wla kilka cm3 10% r-ru siarczanu
miedzi (VI), zaobserwowa zmiany na powierzchni cynku i w roztworze, poda
równanie reakcji,
• Umie ci w probówce kilka granulek magnezu ( elaza), doda kilka cm3 r-ru
kwasu solnego, zaobserwowa zmiany, poda równanie reakcji,
• Do dwóch ponumerowanych probówek wla po 1 cm3 3% r-ru H2O2, do jednej
z probówek doda znikom ilo
dwutlenku manganu w postaci stałej, poda
równanie reakcji oraz znaczenie MnO2,
3. Uwagi do sprawozdania
• Opisa przebieg kolejnych do wiadcze chemicznych uwzgl dniaj c typ
reakcji,
• Poprawnie zapisa kolejne równania reakcji chemicznych oraz wszelkie
spostrze enia.
4. Zagadnienia do kolokwium obejmuj znajomo
• Zjawisk fizycznych i chemicznych,
• Kryteriów podziału reakcji,
• Reakcji syntezy i analizy,
• Reakcji wymiany i katalitycznych,
• Reakcji atomowych, jonowych, cz steczkowych i rodnikowych,
• Reakcji homogenicznych i heterogenicznych,
• Reakcji odwracalnych i nieodwracalnych,
• Zapoznanie si z przebiegiem wiczenia.
Literatura podstawowa:
[1] Sienko M.J., Plane R.A.: Chemia podstawy i zastosowania, WNT, Warszawa, 2002
Literatura uzupełniaj ca:
[1] Biela ski A.: Chemia ogólna i nieorganiczna, PWN, Warszawa, 1997
[2] Padjowski M.: Chemia ogólna, PWN, Warszawa, 1999