Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
1 / 16
III. REAKCJE CHEMICZNE
1. Proces chemiczny a reakcja chemiczna
Przykłady:
topnienie lodu - proces fizyczny,
spalanie węgla - proces chemiczny.
Proces chemiczny
→
→
→
→
reakcja chemiczna
Przykład:
1C + 1O
2
= 1CO
2
Ten zapis reakcji moŜna uprościć:
C + O
2
= CO
2
Musimy równieŜ dodatkowo podać efekt cieplny tej
reakcji:
C + O
2
= CO
2
∆∆∆∆Η
Η
Η
Η
θθθθ
= - 394 kJ/mol
∆∆∆∆
H
θθθθ
= standardowa entalpia reakcji = efekt cieplny
reakcji przy p = const. w temp. 298 K
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
2 / 16
2. Co wiemy z zapisu reakcji chemicznej?
O czym mówi reakcja:
- informacja na temat substratów i produktów,
- informacja na temat współczynników
stechiometrycznych,
- informacja na temat efektu energetycznego
(cieplnego).
O czym nie mówi reakcja:
- szybkości reakcji,
- mechanizmie reakcji,
- wydajności reakcji (stopniu przereagowania).
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
3 / 16
3. Definicja reakcji chemicznej
Jest to proces, w którym z atomów, jonów lub
cząsteczek
substancji
wyjściowych
(substratów)
powstają atomy, jony lub cząsteczki produktów.
W reakcji chemicznej ma miejsce niszczenie jednych
wiązań, a tworzenie innych.
Często reakcji towarzyszą zmiany w zewnętrznych
(walencyjnych) powłokach elektronowych.
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
4 / 16
4. Elementarne prawa rządzące reakcjami
chemicznymi
a) Prawo zachowania masy
Suma
mas
substratów
jest
równa
sumie
mas
produktów. Dla reakcji:
H
2
+ Cl
2
= 2HCl
MoŜna to zapisać jako : -H
2
-Cl
2
+ 2HCl = 0
Współczynniki stechiometryczne tutaj wynoszą:
H
2
= -1,
Cl
2
= -1,
HCl = +2,
Prawo zachowania masy dla tej reakcji ma postać:
0
2
2
2
=
−
−
⋅
Cl
H
HCl
M
M
M
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
5 / 16
b) Prawo stosunków stałych
Pierwiastki chemiczne reagują ze sobą w stałych,
ściśle określonych stosunkach ilościowych
(stechiometrycznych)
1C + 1 O
2
= 1 CO
2
12,011 g
31,998 g
1,00 j.w
x j.w
x = 31,998 / 12,011 = 2,6640 j.w.
Inna postać tego prawa:
KaŜdy związek chemiczny ma stały i niezmienny
skład ilościowy
Odstępstwa - związki chemiczne niestechiometryczne
(np. niektóre stałe tlenki)
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
6/16
5. Podział reakcji chemicznych
a) Ze względu na ilość reagentów
Syntezy
S + O
2
= SO
2
Rozkładu
CaCO
3
= CaO + CO
2
Wymiany
SiO
2
+ 2Mg = Si + 2MgO
b) Ze względu na ilość faz
Homogeniczne: NaOH + HCl = NaCl + H
2
O
czyli
H
+
+ OH
-
= H
2
O
Heterogeniczne: C + O
2
= CO
2
C
(s)
+ O
2(g)
= CO
2(g)
↑
c) Ze względu na rodzaj reagentów
Jonowe H
2
SO
4
+ BaCl
2
= BaSO
4
+ 2HCl
2H
+
+ SO
4
2-
+ Ba
2+
+ 2Cl
-
= BaSO
4
+ 2H
+
+ 2Cl
-
czyli Ba
2+
(w)
+ SO
4
2-
(w)
= BaSO
4
↓↓↓↓
(s)
Cząsteczkowe
2SO
2
+ O
2
= 2SO
3
2SO
2(g)
+ O
2(g)
= 2SO
3(g)
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
7/16
Reakcje rodnikowe
Rodniki są to bardzo aktywne atomy (lub grupy
atomów) mające niesparowane elektrony. Są bardzo
nietrwałe.
Rodniki
najczęściej
powstają
pod
wpływem
promieniowania elektromagnetycznego.
Reakcje rodnikowe przebiegają z udziałem rodników.
Przykładem
reakcji
rodnikowej
jest
fotosynteza
chlorowodoru:
H
2(g)
+ Cl
2(g)
= 2HCl
(g)
Ta reakcja zachodzi z udziałem rodników powstających
pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego:
Cl
2
+ h
υυυυ
= 2Cl
H
2
+ h
υυυυ
= 2H
Cl
2
+ H
= HCl + Cl
H
2
+ Cl
= HCl + H
Cl
+ H
= HCl
H
i Cl
oznaczają rodniki
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
8/16
d) Reakcje egzo- (
∆∆∆∆Η
Η
Η
Η
θθθθ
< 0) i endotermiczne (
∆∆∆∆Η
Η
Η
Η
θθθθ
> 0)
Przykłady:
C + O
2
= CO
2
∆∆∆∆Η
Η
Η
Η
θθθθ
= -394 kJ/mol
Ag
2
O = 2Ag + 1/2O
2
∆∆∆∆Η
Η
Η
Η
θθθθ
= +30 kJ/mol
Uwaga:
Efekt cieplny reakcji chemicznej << efekt reakcji
jądrowej:
* Energia chemiczna (np. synteza CO
2
) na 1 mol 4
⋅⋅⋅⋅
10
2
kJ
* Energia wiązania 1 mola nukleonów w jądrze wynosi
7
⋅⋅⋅⋅
10
8
kJ
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
9/16
e) Reakcje odwracalne i nieodwracalne
Przykłady:
H
2
+ I
2
= 2HI
ściślej:
H
2(g)
+ I
2(g)
= 2HI
(g)
W układzie zamkniętym ta reakcja jest odwracalna.
Fe
3+
+ 3OH
-
→ Fe(OH)
3
↓
Ta reakcja jest praktycznie nieodwracalna.
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
10/16
f) Zmiana stopnia utlenienia - reakcje utleniająco-
redukcyjne
Czy te reakcje są utleniająco – redukcyjne?
a)
S
+ O
2
= SO
2
TAK
b)
Cu
2+
+ S
2-
= CuS
NIE
c)
CaO + H
2
O
= Ca(OH)
2
NIE
d)
Zn + 2H
+
= Zn
2+
+ H
2
TAK
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
11/16
6. Stopnie utlenienia
Rzeczywisty stopień utlenienia
Stopień utlenienia jest to liczba elektronów, jaką by
dany pierwiastek przyjął (lub oddał) gdyby utworzone
wiązanie miało charakter jonowy.
Jest to wielkość umowna.
Stopnie utlenienia:
1.
tlenu -2 (z wyjątkiem nadtlenków H
2
O
2
, Na
2
O
2
),
ponadtlenków (KO
2
) i fluorku tlenu (OF
2
)
2.
wodoru +1
(z wyjątkiem wodorków metali
→
→
→
→
-1 st.
utl.)
3.
w stanie wolnym pierwiastka 0 (zero)
4.
suma stopni utlenienia wszystkich atomów
tworzących cząsteczkę wynosi 0
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
12/16
cząsteczka: H
2
SO
3
siarka:
2(+1) + x + 3(-2) = 0 x = +4
anion: Cr
2
O
7
2-
chrom:
2x + 7(-2) = -2
x = +6
kation: VO
2
+
wanad:
x + 2(-2) = +1
x = +5
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
13/16
Formalny stopień utlenienia
np. ołów w Pb
3
O
4
tlen 4(-2) = - 8
3 atomy Pb +8
1 atom Pb +8/3
Jest to tzw. formalny stopień utlenienia. Jak to
wyjaśnić?
O
O
Pb
(+2)
Pb
(+4)
Pb
(+2)
O
O
Formalny stopień utlenienia nie musi być liczbą
całkowitą. Tutaj wynosi on +8/3.
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
14/16
3e x 2
2e x 3
7.
Reakcje utleniająco - redukcyjne dobieranie
współczynników-
metoda uproszczona
1
o
Cu + H
+
+ NO
3
-
= Cu
2+
+ NO + H
2
O
redukcja
N
(+5)
+ 3e N
(+2)
utleniacz
utlenienie
Cu
(0)
Cu
(+2)
+ 2e
reduktor
Uzgadniamy współczynniki dla miedzi i azotu:
3Cu + H
+
+ 2NO
3
-
= 3Cu
2+
+ 2NO + H
2
O
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
15/16
Następnie uzgadniamy współczynniki dla H
+
:
3Cu + 8H
+
+ 2NO
3
-
= 3Cu
2+
+ 2NO + ?H
2
O
Na końcu uzgadniamy współczynniki dla wody:
3Cu + 8H
+
+ 2NO
3
-
= 3Cu
2+
+ 2NO + 4H
2
O
2
o
Fe
2+
+ MnO
4
-
+ H
+
= Fe
3+
+ Mn
2+
+ H
2
O
Fe
(+2)
→ Fe
(+3)
+ 1e
1e x 5
Mn
(+7)
+ 5e → Mn
(+2)
5e x 1
5Fe
2+
+ MnO
4
-
+ 8H
+
= 5Fe
3+
+ Mn
2+
+ 4H
2
O
Władysław Walkowiak – PCHN_SKP
Rozdział III. Reakcje chemiczne
16/16
3
o
Uzgodnić współczynniki dla reakcji zachodzącej
w środowisku wodnym:
Ag
2
S + NO
3
-
+ ...... = Ag
+
+ SO
4
2-
+ NO + ……
oraz wstawić brakujące reagent.
Zagadnienia pominięte w tym wykładzie: związki
chemiczne niestechiometryczne, prawo stosunków
wielokrotnych
.
Reakcje
dysproporcjonowania.
Druga metoda
uzgadniania
współczynników
stechiometrycznych.
Koniec rozdz. III-tego