2009-11-11

1

Podstawowe obliczenia stechiometryczne.

WYKŁAD II

WYKŁAD II

Reakcje chemiczne

są to procesy polegające na przegrupowaniu atomów

wchodzących w skład cząsteczki substancji wyjściowych (substraty reakcji) i
wytworzeniu substancji o odmiennym składzie i właściwościach (produkty
reakcji).

Reakcje

chemiczne

przedstawimy

za

pomocą

odpowiedniego

zapisu

chemicznego – równań reakcji. Zapis ten przedstawia jakościowo i ilościowo
przebieg reakcji.

3 H

2

O + P

2

O

5

→ 2 H

3

PO

4

17:30

Reakcje chemiczne przebiegają zgodnie z podstawowymi
prawami chemicznymi:

1. Prawo zachowania masy

stanowi, że suma mas reagentów nie

ulega zmianie podczas reakcji chemicznej (masa substratów jest równa
masie produktów reakcji )

2. Prawo stosunków stałych

podaje, że związek chemiczny ma stały

skład

ilościowy

(stały

stosunek

mas

atomów

poszczególnych

pierwiastków w cząsteczce), a zatem pierwiastki reagują ze sobą w
stałych,

ściśle

określonych

stosunkach

ilościowych,

nazywanych

stosunkami stechiometrycznymi.

17:30

3. Prawo stosunków wielokrotnych

stwierdza, że jeżeli dwa

pierwiastki tworzą ze sobą kilka różnych związków chemicznych, to w
związkach tych na tę samą ilość jednego pierwiastka przypadają ściśle
określone ilości drugiego pierwiastka, pozostające do siebie w
stosunku niewielkich liczb całkowitych

4. Prawo

stosunków

objętościowych:

objętości

gazowych

substratów i produktów reakcji, mierzone w jednakowych warunkach,
mają się do siebie, jak niewielkie liczby całkowite. W warunkach
normalnych (p = 101325 Pa, T = 273,15 K) jeden mol gazu doskonałego
zajmuje objętość 22,41 dm

3

17:30

2009-11-11

2

Reakcje można klasyfikować na bardzo wiele sposobów,
np. ze względu na:

a) Charakter przemian, jakim ulegają reagujące substancje:

A + B = C

reakcja syntezy

C = A + B

reakcja rozkładu

AB + CD = AD + CB

reakcja wymiany

b) Efekty energetyczne, które towarzyszą przemianą chemicznym:

A + B = C – Q

reakcja endotermiczna

A + B = C + Q

reakcja egzotermiczna

17:30

d) Stan fazowy substratów i produktów reakcji (reakcje jednofazowe –
homogeniczne i wielofazowe – heterogeniczne)

A

(g)

+ B

(g)

= C

(g)

reakcja jednofazowa

A

(s)

+ B

(g)

= C

(g)

reakcja wielofazowa

c) Przeniesienie elektronów między reagującymi cząsteczkami, którym
towarzyszy zmiana stopnia utlenienia pierwiastków biorących udział w reakcji
(reakcje utleniająco-redukcyjne) i reakcje bez przeniesienia elektronów, bez
zmiany stopnia utlenia pierwiastków

17:30

e) Odwracalność reakcji:

A + B C

reakcja odwracalna

A + B C

reakcja nieodwracalna

Reakcję nazywamy odwracalną lub równowagową, jeżeli jej wyniku ustala się stan
równowagi , w którym współistnieją produkty i substraty.

Reakcje nieodwracalne to takie, w których nie osiąga się stanu równowagi
pomiędzy substratami a produktami, np. wtedy, gdy jeden z produktów opuszcza
środowisko reakcji.

17:30

Utlenianie i redukcja

Istota reakcji utleniania i redukcji (reakcje redoksowe) polega na wymianie
elektronów pomiędzy reagentami ze zmianą stopnia utlenienia. Utlenianie
związane jest z oddawaniem elektronów (podwyższanie stopnia utlenienia).
Procesem przeciwnym jest redukcja – przyjęcie elektronów (obniżenie stopnia
utleniania).

- powstawanie warstewki ochronnej na aluminium pod wpływem tlenu z
atmosfery (pasywacja aluminium)

4 Al + 3 O

2

→ 2 Al

2

O

3

- jeden z etapów korozji żelaza

4 Fe + 3 O

2

+ 2 H

2

O → 4 FeO(OH)

- powstawanie zielonej patyny na powierzchni miedzi pod wpływem atmosfery

2 Cu + CO

2

+ H

2

O + O

2

→ Cu

2

(OH)

2

CO

3

17:30

2009-11-11

3

Reakcje strąceniowe

Przez reakcje strąceniowe rozumie się reakcje prowadzące do powstania
związków trudno rozpuszczalnych w wodzie , które zwykle wytrącają się w
postaci osadu, aczkolwiek mogą też utrzymywać się w wodzie w postaci
koloidalnej zawiesiny (zol). Reakcję strącania można traktować jako
odwrotność rozpuszczania.

Powstawanie nacieków wapiennych na betonie pod wpływem działania
dwutlenku węgla z powietrza

Ca(OH)

2

+ CO

2

→ CaCO

3

↓ + H

2

O

W atmosferze przemysłowej powstawanie wykwitów gipsowych na betonie

Ca(OH)

2

+ H

2

SO

4

→ CaSO

4

∙ 2 H

2

O ↓

17:30

Reakcje kompleksowe

W wyniku reakcji kompleksowych (reakcje koordynacyjne lub zespolone)
powstają związki, w których występują tzw. jony lub atomy centralne,
otoczone przez cząsteczki lub jony zwane ligandami.

Hydratacja glinianu trójwapniowego – tworzy się kompleksowy jon [Al(OH)

6

]

3-

sześciohydroksy glinianu; reakcja zachodząca podczas wiązania cementu
portlandzkiego

3 CaO ∙ Al

2

O

3

+ 6 H

2

O → Ca

3

[Al(OH)

6

]

2

17:30

Reakcje heterogeniczne; reakcje ciał stałych

Wszystkie reakcje ciał stałych, w tym większości reakcji związanych z
budownictwem (np. tworzenie klinkieru cementu portlandzkiego, wiązanie
cementu itp.), reakcjami heterogenicznymi .

Podczas wypalania klinkieru cementowego

CaO + SiO

2

→ Ca SiO

3

W tym przypadku jony Ca

2+

i Si

4+

dyfundują w dwóch przeciwnych

kierunkach. W skutek szybszej dyfuzji jonów Ca

2+

powstaje najpierw

Ca

2

SiO

4

, który następnie przechodzi w produkt końcowy

17:30

Reakcje endotermiczne i egzotermiczne

Wszystkim reakcjom towarzyszy efekt cieplny.

Reakcje endotermiczne:

-Wypalanie kamienia wapiennego

CaCO

3

+ 178,5 kJ → CaO + CO

2

-Wypalanie kamienia gipsowego

CaSO

4

∙ 2 H

2

O + 16,4 kJ → CaSO

4

∙ ½ H

2

O + 1,5 H

2

O

CaSO

4

∙ 2 H

2

O + 19,9 kJ → CaSO

4

+ 2 H

2

O

17:30

2009-11-11

4

Przykłady reakcji egzotermicznych

- Gaszenie wapna palonego

CaO + H

2

O → Ca(OH)

2

+ 67,0 kJ

- Uwodnienie gipsu

CaSO

4

∙ ½ H

2

O + 1,5 H

2

O → CaSO

4

∙ 2 H

2

O + 16,4 kJ

- Powstawanie minerałów cementowych podczas klinkieryzacji

36 CaO + 8 SiO

2

+ 4 Al

2

O

3

+ 2 Fe

2

O

3

→ 6 (3 CaO ∙ SiO

2

) + 2 (2 CaO ∙ SiO

2

) +

+ 2 (3 CaO ∙ Al

2

O

3

) + 2 (4 CaO ∙ Al

2

O

3

∙ Fe

2

O

3

) + 1371,4 kJ

- Hydroliza alitu (jedna z reakcji hydratacji cementu)

2 (3 CaO ∙ SiO

2

) + 6 H

2

O → 2 (1,5 CaO ∙ SiO

2

∙ 1,5 H

2

O) + 3 Ca(OH)

2

+ 918 kJ

17:30

Stechiometria równań chemicznych

Substancje reagują ze sobą w ściśle określonym stosunku ilościowym,
charakterystycznym dla danej reakcji. Również powstające produkty pozostają
do siebie i do substratów w ściśle określonych stosunkach. Stosunki ilościowe
między reagentami, tzw. stosunki stechiometryczne, oblicza się na podstawie
równania chemicznego. Najczęściej wykorzystuje się trzy sposoby określania
stosunku stechiometrycznego: molowy, masowy (wagowy) i objętościowy.
Stosunek objętościowy tylko dla gazów jest taki sam jak stosunek molowy, co
wynika z zasady Avogadra, np.:

Równanie chemiczne: 3H

2

+ N

2

→ 2NH

3

Molowy stosunek stechiometryczny: 3 mole : 1 mola : 2 mole

Masowy stosunek stechiometryczny: 6 g : 28 g : 34 g

Objętościowy stosunek stechiometryczny: 3 obj. : 1 obj. : 2 obj.

Schemat obliczeń stechiometrycznych jest następujący:

Schemat obliczeń stechiometrycznych jest następujący:

a) Należy poprawnie napisać wzory związków stechiometrycznych po stronie
substratów i produktów
b) Dobrać współczynniki stechiometryczne w równaniu reakcji chemicznej
c) Na podstawie stosunków molowych, wynikających ze wzoru lub równania
reakcji, należy określić stosunki masowe,
d) Ze stosunków masowych i danych zadania, za pomocą proporcji należy obliczyć
masę składnika związku lub masę reagenta

Zadanie

W wyniku reakcji metalicznego sodu z wodą otrzymano 2 g NaOH. Obliczyć, ile
sodu użyto w reakcji i jaką objętość zajmie wydzielający się wodór w warunkach
normalnych?

16

Stosunki liczbowe i procenty.

Często w zadaniach o mieszaninach lub mieszankach dwuskładnikowych,

podaje się, że stosunek jednej wielkości składniowej do drugiej równy jest
stosunkowi dwóch liczb.

Przykład zmiany stosunku na procenty:

Stosunek mas dwóch składników mieszanki jest równy 2,5:5,5

Ile procent mieszanki stanowi każdy składnik?

Rozwiązanie:

Masa mieszanki to 8 części wagowych.

Pierwszy składnik to części, czyli 31,25% masy mieszanki.

Drugi składnik to części, czyli 68,75% masy mieszanki.

2 5

8

,

5 5

8

,

Odpowiedź

Składniki mieszanki stanowią 31,5% i 68,75%.

Odpowiedź

Składniki mieszanki stanowią 31,5% i 68,75%.

2009-11-11

5

17

Stężenie procentowe.

Jednym ze sposobów wyrażania stężeń roztworów jest

stężenie procentowe. Stężenie procentowe roztworu
jest to liczba gramów substancji rozpuszczonej w 100g
roztworu.

Stężenie procentowe wyrażamy za pomocą wzoru

Cp

– stężenie procentowe

ms

- masa substancji rozpuszczonej

mr

- masa roztworu

mw

- masa wody

mr-=ms+mw

Cp

ms

mr

=

⋅100%