Reakcje chemiczne i równania chemiczne

Typy reakcji chemicznych / Równania chemiczne / Sposoby bilansowania równań chemicznych

Typy reakcji chemicznych

Podczas lekcji w gimnazjum dowiedzieliśmy się, że procesy w czasie których powstają nowe substancje nazywamy przemianami chemicznymi lub reakcjami chemicznymi. Substancje wyjściowe w reakcji chemicznej noszą nazwę substratów a substancje powstające w reakcji chemicznej noszą nazwę produktów.

Reakcje chemiczne są to procesy, podczas których jedne substancje przechodzą w drugie.

W czasie reakcji chemicznej obserwujemy;

• przemianę jednych substancji w inne, o nowych właściwościach

• powstawanie nowych cząstek (atomów, jonów, cząsteczek) o innej strukturze jak cząstki wyjściowe

Rys. 13 Spalanie magnezu

przebudowę wiązań chemicznych efekty cieplne, związane ze zmianą stanu energetycznego 2Mg + O2 ----> 2MgO Substancje magnez tlen tlenek magnezu Stan i wygląd stały, metaliczny połysku gazowy stały, biały Rodzaj wiązania metaliczne atomowe jonowe Cząstki składowe jony metalu, elektrony cząsteczki jony

Reakcje chemiczne dzielą się na trzy typy reakcji

• reakcja syntezy (łączenia)

A + B --> AB

• reakcja analizy (rozkładu)

AB --> A + B

• reakcje wymiany, które z kolei dzielą się na:

• reakcje wymiany pojedyńczej

A + BC --> AC + B

• reakcje wymiany podwójnej

AB + CD --> AC + BD

Synteza jest reakcją, w której z dwu lub kilku substancji prostszych powstaje jedna substancja bardziej złożona według schematu

Słowny opis równania	azot + wodór ----> amoniak
Równanie chemiczne	N2 + 3H2 ----> 2NH3

Więcej przykładów

A + B	Kierunek reakcji	AB
CaO + CO2	--->	CaCO3
N2O5 + H2O	--->	2HNO3

Analiza (rozkład) jest przemianą, w której z jednej substancji złożonej tworzą sie dwie lub kilka substancji prostszych. Analiza jest odwrotnością reakcji syntezy (przykład niżej)

Słowny opis równania	wapień ----> wapno palone + dwutlenek węgla
Równanie chemiczne	CaCO3 ----> CaO + CO2

Więcej przykładów

AB	Kierunek reakcji	A + B
MgCO3	--->	MgO + CO2
2Ca(NO3)2	--->	2CaO + 4NO2 + O2

Wymiana jest najczęściej spotykanym typem reakcji. W procesie tym następuje wymiana składników pomiędzy substancjami reagującymi. Wyróżnia się przy tym reakcje pojedyńczej i podwójnej wymiany.

Słowny opis równania	magnez + chlorowodór ----> chlorek magnezu + wodór
Równanie chemiczne	Mg + 2HCl ----> MgCl2 + H2

Więcej przykładów

Wymiana pojedyńcza

A + BC	Kierunek reakcji	AC + B
Fe + 2HCl	--->	FeCl2 + H2
2K + 2H2O	--->	2KOH + H2

Wymiana podwójna

AB + CD	Kierunek reakcji	AC + BD
CaSO4 + Na2CO3	--->	CaCO3 + Na2SO4
H2SO4 + Ca(OH)2	--->	CaSO4 + 2H2O




Równania chemiczne

Przebieg reakcji chemicznej opisujemy przy pomocy równań chemicznych, które zawierają informacje o zmianach jakościowych i o stosunkach ilościowych składników reakcji. W równaniach pierwiastki przedstawiane są za pomocą symboli a związki chemiczne za pomocą wzorów chemicznych.

Przykład

Substraty

--->

Produkty

2H₂ + O₂

--->

2H₂O




--->




Spalanie wodoru

Z równania wynika że; 1. Wodór reaguje z tlenem dając wodę 2. Dwie cząsteczki wodoru reagują z jedną cząsteczką tlenu dając dwie cząsteczki wody 3. Dwa mole wodoru reagują z jednym molem tlenu dając dwa mole wody Liczby które określają ilości cząsteczek w równaniu reakcji nazywane są liczbami stechiometrycznymi reakcji lub współczynnikiem stechiometrycznym. W przykładzie są to liczby 2 przy H2, 1 przy O2 i 2 przy H2O

Najczęściej równania chemiczne piszemy z wykorzystaniem wzorów sumarycznych, ale często możemy spotkać się z zapisem, gdzie wykorzystane są wzory strukturalne.

Wzór sumaryczny podaje skład związku chemicznego wraz z liczbą atomów uczestniczących w budowie cząsteczki albo jonu. Przykłady zapisu - C6H6 (benzen), H2SO4 (kwas siarkowy(VI). Wzór strukturalny (wzór kreskowy) stosuje się do związków chemicznych z wiązaniem atomowym. Zawiera informacje o składzie pierwiastkowym i wiązanich chemicznych pomiędzy atomami w cząsteczce.

Pisanie równań chemicznych z wykorzystaniem wzorów strukturalnych ma zastosowanie do przedstawienia mechanizmu reakcji chemicznej i najczęściej jest stosowany w chemii organicznej. Uproszczeniem wzoru strukturalnego jest wzór grupowy.

Wzór grupowy to rodzaj wzoru strukturalnego w którym określone grupy atomów wchodzących w skład cząsteczki zgrupowane są bez ukazywania zawartych w nich wiązań.

Przykłady

Równanie z wzorami sumarycznymi

2H2 + O2 ----> 2H2O

Równanie z wzorami strukturalnymi

Powyższe równanie przedstawia mechanizm przyłączania bromowodoru do cząsteczki etenu.

Równanie z wzorami grupowymi

Zgodnie z przyjętą konwencją pisania równań, to co zanika (substraty) zapisuje się po lewej stronie równania, a to co powstaje (produkty) - po prawej stronie równania. Substraty i produkty są rozdzielone za pomocą pojedyńczej strzałki --->, znaku równości = lub podwójnej strzałki <=> w zależności od tego jaki charakter reakcji chemicznej chce się uwypuklić.

Równanie reakcji chemicznej jest to symboliczne przedstawienie reakcji chemicznej, w którym reagenty są podane po lewej stronie, a produkty po prawej. Współczynniki znajdujące się przy symbolach i wzorach rodzajów chemicznych są bezwzględnymi wartościami współczynników stechiometrycznych. Pomiędzy reagentami i produktami stosuje się różne symbole: znak dla wyrażenia stosunków stechiometrycznych; dla wskazania, że reakcja w końcowym wyniku przebiega w prawo; dla reakcji przebiegającej w obu kierunkach; dla równowagi".

Dla zaznaczenia stanu skupienia w jakim występuje reagent, do równań wprowadza się oznaczenia (g) - faza gazowa, (c) - faza ciekła, (s) - faza stała.

Przykład

2H_2(g) + O_2(g) ----> 2H₂O_(c)

Aby równanie chemiczne było pełne, musi spełniać trzy warunki: musi określać jakie substraty zanikają i jakie powstają produkty musi być zgodne z prawem zachowania masy musi być zgodne z zasadą zachowania ładunku elektrycznego




Aby reakcję chemiczną przedstawić równaniem, należy:

• znać substraty i produkty reakcji oraz ich symbole albo wzory chemiczne

• sprawdzic prawidłowość zapisanych wzorów chemicznych

• zestawić schemat równania chemicznego

• dobrać w takim schemacie współczynniki (liczby stechiometryczne) przez porównanie liczby atomów lub grup atomów po stronie substratów i produktów i połączyć je znakiem równości.

Przykłady

Substraty	Kierunek reakcji	Produkty
2H2 + O2	--->	2H2O
CH4 + 2O2	--->	CO2 + 2H2O

W reakcjach chemicznych substancje reagują z sobą w ściśle określonych stosunkach wagowych a także objętościowych (pary i gazy). Wynika to z;

• prawa zachowania masy (Lavoisier 1785, Łomonosow 1744)

• prawa stosunków stałych (Proust 1799)

• stosunków wielokrotnych (Dalton 1803)

• stosunków objętościowych (Gay-Lussac).

Prawo zachowania masy

Prawo zachowania masy mówi, że w reakcji chemicznej masa substratów jest równa masie produktów, inaczej, masa substancji biorących udział w reakcji chemicznej nie ulega zmianie.

Prawo stosunków stałych

Sformułowane przez Prousta /1799/ prawo stosunków stałych wyraża, że;

Każdy związek chemiczny ma stały i charakterystyczny skład ilościowy.

Przykładem może być cząsteczka wody, która niezależnie od panujących warunków i miejsca występowania ma zawsze stały skład. Udziały procentowe pierwiastków w cząsteczce wody (H₂O) wynoszą zatem:

%H = 2 * 100%/(2 + 16) = 11,1%
%O = 16 * 100%/(2 + 16) = 88,9%

Często stosunki wagowe pierwiastków w związkach chemicznych podaje się w postaci zapisu ich stosunków wagowych. Przykład zapisu dla wody H : O = 2 : 16 = 1 : 8.
Liczbowe stałych stosunków wagowych pierwiastków niektórych związków chemicznych podano w tablicy 1.

Tablica 1

Stałe stosunki wagowe pierwiastków w związkach

Lp.	Związek chemiczny	Wzór cząsteczkowy	Stosunek wagowy pierwiastków
1.	Woda	H2O	H : O = 1 : 8
2.	Amoniak	NH3	H : N = 1 : 4,66
3.	Metan	CH4	H : C = 0,333 : 1
4.	Acetylen	C2H2	H : C = 0,084 : 1




Prawo stosunków wielokrotnych

Jeżeli dwa pierwiastki mogą tworzyć kilka związków chemicznych, to obowiązuje dalsza zależność ich składów ilościowych wyrażona prawem stosunków wielokrotnych /Dalton 1804/:

Jeżeli dwa pierwiastki zdolne są tworzyć z sobą więcej niż jeden związek chemiczny, to w związkach tych ilości wagowe jednego pierwiastka, przypadającą na stałą ilość wagową drugiego pierwiastka, pozostają do siebie w stosunku niewielkich liczb całkowitych.

Na przykład wodór i tlen tworzą dwa związki: H₂O i H₂O₂. Z taką samą ilością wagową wodoru, wynoszącą 2,016 g w jednym z tych związków związane jest 16 g tlenu, a w drugim 32 g tlenu. Wzajemny stosunek wagowy ilości tlenu związanego w związkach z taką samą ilością wagową wodoru wyraża się liczbami 1 : 2.

Azot i tlen tworzą z sobą pięć różnych tlenków N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₅
W poszczególnych tlenkach azotu na 14 g azotu przypada odpowiednio: 8, 16, 24, 32, 40 g tlenu. Wzajemny stosunek ilości wagowych tlenu związanego z jednakową ilością wagową azotu wyraża się prostymi liczbami całkowitymi 1 : 2 : 3 : 4 : 5




Prawo stosunków objętościowych

Jeżeli reagujące ze sobą substancje znajdują się w stanie gazowym, to objętości poszczególnych gazów zarówno substratów jak i gazowych produktów reakcji, pozostają do siebie w stosunku niewielkich liczb całkowitych.

Prawo to, zwane prawem prostych stosunków objętościowych, zostało sformułowane przez Gay-Lussaca /1808/. Jest ono prostą konsekwencją prawa Avogadra, według którego;

Jednakowe objętości wszystkich gazów, mierzone w tych samych warunkach fizycznych, zawierają jednakową liczbę cząsteczek. Udowodniono, że 22,4 dm^3 dowolnego gazu w warunkach normalnychzawiera 6,023 x 10^23 molekuł.

Jeżeli na przykład w dwóch jednakowych objętościach znajduje się po 6,023 x 10²³ cząsteczek wodoru H₂ i chloru Cl₂, to w reakcji między nimi

1 objętość wodoru H₂ + 1 objętość chloru Cl₂ ----> 2 objętości chlorowodoru 2HCl

tworzy się chlorowodór w ilości 2 x 6,023 x10²³ cząsteczek, gdyż z każdej cząsteczki H₂ oraz Cl₂ powstają dwie cząsteczki chlorowodoru.
Z prawa Avogadra wynika jeszcze jeden istotny wniosek:

Ilości molowe jakichkolwiek substancji w stanie gazowym zajmują w tych samych warunkach fizycznych jednakowe objętości. Obliczono, że jeden mol jakiegokolwiek gazu zajmuje w warunkach normalnych / tmp. 0^oC, ciśnienie 1013 hPa/ objętość 22,4 dm^3. Objętość ta nazywa się objętością molową.




Sposoby bilansowania równań chemicznych

Sposób dobierania współczynników w równaniu chemicznych przedstawia poniższy przykład tj. reakcja glinu z siarką oraz kwasu fosforowego(V) z wodorotleniem wapnia.




Przykład 1

Ułożyć równanie reakcji glinu z siarką (substancje proste), w wyniku której powstaje siarczek glinu

Rozwiązanie

• Zestawia się wzory chemiczne substratów i produktow reakcji
  substraty: - Al (glin), S (siarka). Jak nie znasz symboli pierwiastków skorzystaj z układu okresowego pierwiastków (ściąga), odszukaj nazwę i symbol
  produkty: - Al₂S₃

• Sprawdza się prawidłowość zapisanych wzorów przez zbilansowanie stopni utlenienia atomów lub grup atomów, pamiętając o tym, że w związku chemicznym suma algebraiczna całkowitych stopni utlenienia atomów, które są związane w cząsteczkę jest równa zeru.

Pojęcie stopienia utlenienia zastępuje stare i mało precyzyjne pojęcie wartościowości. Stopień utlenienia - jest definiowany jako liczba elektronów, które dany atom przekazał lub przyjął od innego atomu w ramach tworzenia z nim wiązań chemicznych. Stopień utlenienia oblicza się jako bilans wszystkich przekazanych i przyjętych elektronów przez dany atom, w ramach danej cząsteczki. Jeśli dany atom przekazuje o jeden elektron więcej niż otrzymuje, to uzyskuje stopień utleniania I, jeśli natomiast przyjmuje o jeden elektron więcej niż sam przekazał uzyskuje stopień utlenienia -I. Stopień utlenienia pierwiastków w stanie wolnym równa się zero. Więcej o sposobie obliczania stopni utlenienia w rozdziale IX.

Stopień utlenienia oznacza się cyfrą rzymską jako indeks górny przy symbolu pierwiastka np. H^ICl^-I, Al2^IIIS3^-II, C^IVO2^-II. Stopnie utlenienia dodatnie piszemy bez znaku (+).

Wzór sumaryczny	Sprawdzenie
Al	[0]
S2	[0]
Al2^IIIS3^-II	2*(+III) + 3*(-II) = 0

• Następnie układa się schemat równania chemicznego, umieszczając substraty z lewej strony, a produkty z prawej strony strzałki wskazującej kierunek przebiegu reakcji chemicznej

Al + S --> Al₂S₃

• Z prawej strony schematu występują dwa atomy glinu (Al) i trzy siarki (S): tyle atomów powinno się znajdować z lewej strony. Zatem Al mnoży się przez 2 a S przez 3. Efekt bilansowania

2Al + 3S ---> Al₂S₃

Teraz należy sprawdzić sumy atomów albo grup atomów występujących po lewej i prawej stronie równania

2Al = 2Al
3S = 3S

Zgodności wskazują na prawidłowe ułożenie równania. Współczynnikami stechiometrycznymi są liczby 2 i 3 umieszczone przed symbolami Al i S oraz 1 przed Al₂O₃.




Przykład 2

Ułożyć równanie reakcji kwasu fosforowego(V) z wodorotlenkiem wapnia, w wyniku ktorej powstaje fosforan(V) wapnia i woda

Rozwiązanie

• Zestawia się wzory chemiczne substratów i produktow reakcji
  substraty: H₃PO₄, Ca(OH)₂
  produkty: Ca₃(PO₄)₂, H₂O

• Sprawdza się prawidłowość zapisanych wzorów przez zbilansowanie wartościowości atomów lub grup atomów, pamiętając o tym, że w związku chemicznym suma wartościowości dodatnich i ujemnych jest równa zeru.

Wzór sumaryczny	Sprawdzenie
H3^IP^VO^-II4	3*(+I) + 1*(+V) + 4*(-II) = 0
Ca^II(O^-IIH^I)2	1*(+II) + 2*(-II) + 2*(+I) = 0
Ca3^II(P^VO^-II4)2	3*(+II) + 2*(+V) + 8*(-II) = 0
H2^IO^-II	2*(+I) + 1*(-II) = 0

• Następnie układa się schemat równania chemicznego, umieszczając substraty z lewej strony, a produkty z prawej strony strzałki wskazującej kierunek przebiegu reakcji chemicznej

H₃PO₄ + Ca(OH)₂ --> Ca₃(PO₄)₂ + H₂O

• Z prawej strony schematu występują trzy atomy Ca i dwie grupy (PO₄): tyle atomów i grup (PO₄) powinno się znajdować z lewej strony. Zatem H₃PO₄ mnoży się przez 2 a Ca(OH)₂ przez 3. Z lewej strony występuje 12 atomów H i 6 atomów O (w grupach OH). Z tych ilości tworzy się 6 czasteczek H₂O. Efekt bilansowania

2H₃PO₄ + 3Ca(OH)₂ --> Ca₃(PO₄)₂ + 6H₂O

Teraz należy sprawdzić sumy atomów albo grup atomów występujących po lewej i prawej stronie równania

3Ca = 3Ca
12H = 12H
2(PO₄) = 2(PO₄)

Zgodności wskazują na prawidłowe ułożenie równania.

---