Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

REAKCJE

CHEMICZNE

Równanie reakcji chemicznej i jego interpretacja na poziomie
cząsteczkowym i makroskopowym. Klasyfikacja reakcji chemicznych
według: schematu reakcji, rodzaju reagentów, efektu energetycznego,
składu fazowego reagentów, odwracalności reakcji, wymiany
elektronów.

Efekt

energetyczny

reakcji.

Zasady

obliczeń

stechiometrycznych – prawo zachowania masy, prawo stosunków
stałych.

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

RÓWNANIE REAKCJI CHEMICZNEJ

REAKCJA CHEMICZNA to proces podczas którego

następuje zmiana składu i
właściwości materii.

Podczas reakcji chemicznej następuje zrywanie lub/i

tworzenie wiązań chemicznych.

O

2H

CO

2O

CH

2

2

2

4







SUBSTRATY

PRODUKTY

REAGENTY

PRZED reakcją

PO reakcji

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

INTERPRETACJA (odczytanie) równania reakcji

O

2H

CO

2O

CH

2

2

2

4







●

na poziomie cząsteczkowym:

"Jedna cząsteczka metanu reaguje z dwiema cząsteczkami tlenu
dając cząsteczkę ditlenku węgla i dwie cząsteczki wody"

●

na poziomie makroskopowym:

"Jeżeli jeden mol metanu przereaguje z dwoma molami tlenu
to powstanie jeden mol ditlenku węgla i dwa mole wody"

Jeżeli do reakcji (nierównowagowej) weźmie się substraty w innych
proporcjach licznościowych niż wynika z równania chemicznego wtedy
reakcja przebiega do wyczerpania się jednego z substratów.

Przykład: Zmieszano 1 mol CH

4

i 1 mol O

2

.

Reakcja przebiegnie do wyczerpania się O

2

– pozostanie

1/2 mola CH

4

– powstanie 1/2 mola CO

2

i 1 mol H

2

O

Stopień przereagowania substratu wskazuje jaka jego część

została przemieniona w produkt

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

●

Schemat reakcji

KLASYFIKACJA REAKCJI CHEMICZNYCH

Kryterium klasyfikacji:

H

2

+ Cl

2

= 2HCl

(synteza z

pierwiastków)

4H

2

O = H

2

O

2

+ 3H

2

+ O

2

(radioliza)

Q

γ

AgNO

3

+ NaCl = AgCl + NaNO

3

(podwójna)

2BiI

3

= 2Bi + 3I

2

(dysocjacja termiczna)

– analiza, rozkład

2AgBr = 2Ag + Br

2

(fotoliza)

– synteza

2NO

2

= N

2

O

4

(polimeryzacja)

CaO + H

2

O = Ca(OH)

2

(synteza ze

związków)

– wymiana

Fe

2

O

3

+ 2Al = Al

2

O

3

+ 2Fe

(pojedyncza)

hν

– reakcja RODNIKOWA (bardzo aktywne atomy lub grupy

atomów mające niesparowane elektrony)

Cl

2

+ H

2

= 2HCl

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

●

Rodzaj reagentów

KLASYFIKACJA REAKCJI CHEMICZNYCH

Kryterium klasyfikacji:

– reakcja CZĄSTECZKOWA (reagują obojętne cząsteczki,

atomy))

C + O

2

= CO

2

– reakcja JONOWA (wszystkie lub niektóre reagenty są

jonami)

Zn + 2H

+

= Zn

2+

+ H

2

hν

Cl

2

Cl· + H

2

= HCl + H·

H· + Cl

2

= HCl + Cl·

itd.

Mechanizm rodnikowy reakcji łańcuchowej

Cl· + H· = HCl

Cl· + Cl· = Cl

2

H· + H· = H

2

x·

– rodnik

Reakcje kończące łańcuch

= 2Cl·

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

●

Stan fazowy reagentów

KLASYFIKACJA REAKCJI CHEMICZNYCH

Kryterium klasyfikacji:

– reakcja HOMOGENICZNA – wszystkie substraty i produkty

znajdują się w tej samej

fazie

FAZA – jednorodna część układu oddzielona powierzchnią graniczną

(s) – faza stała
(c) – faza ciekła
(g) – faza gazowa

N

2

(g) + 3H

2

(g) ⇆ 2NH

3

(g)

reakcja homogeniczna w fazie gazowej

NH

3

·H

2

O(c) ⇆ NH

4

+

(c) + OH

–

(c)

reakcja homogeniczna w fazie ciekłej

– reakcja HETEROGENICZNA – co najmniej dwa reagenty

znajdują się w różnych
fazach

Zn(s) + 2H

+

(c) = Zn

2+

(c) + H

2

(g)

Zn(s) + S(s) =
ZnS(s)

– reakcja heterogeniczna
!
– każda faza stała jest
inna !

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

●

Odwracalność reakcji

KLASYFIKACJA REAKCJI CHEMICZNYCH

Kryterium klasyfikacji:

– reakcja ODWRACALNA

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

N

2

+ 3H

2

⇆ 2NH

3

w temp. 500

o

C i pod ciśnieniem 100 MPa

w mieszaninie reakcyjnej jest 57,5 % obj. amoniaku

– reakcja NIEODWRACALNA przebiega do wyczerpania się

co najmniej jednego z
substratów

- ditlenek węgla ulatnia się ze środowiska reakcji

CaCO

3

= CaO + CO

2

W naczyniu zamkniętym możliwa jest reakcja odwrotna:

CaO + CO

2

=

CaCO

3

W dostatecznie wysokiej temperaturze ustali się stan równowagi
– reakcja będzie odwracalna

CaO + CO

2

⇆

CaCO

3

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

●

Wymiana elektronów

KLASYFIKACJA REAKCJI CHEMICZNYCH

Kryterium klasyfikacji:

– reakcja Z WYMIANĄ ELEKTRONÓW – reakcja oksydacyjno -

redukcyjna

2Na + Cl

2

= 2NaCl →

obojętne

atomy

jony

Na

+

Cl

–

– reakcja BEZ WYMIANY ELEKTRONÓW – atomy, jony nie zmieniają

ładunków

AgNO

3

+ NaCl = AgCl +

NaNO

3

Więcej na następnym wykładzie!

→ 2Na

+

+ 2Cl

–

(Ag

+

NO

3

–

) + (Na

+

Cl

–

) = (Ag

+

Cl

–

) + (Na

+

NO

3

–

)

←reagenty mają budowę jonową

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

●

Efekt energetyczny

KLASYFIKACJA REAKCJI CHEMICZNYCH

Kryterium klasyfikacji:

– reakcja EGZOTERMICZNA (wydzielanie

ciepła)

C + O

2

= CO

2

ΔH°= –394

kJ/mol

– reakcja ENDOTERMICZNA (pochłanianie

ciepła)

CaCO

3

= CaO + CO

2

ΔH°

= 176

kJ/mol

ΔH° - standardowa entalpia reakcji

– energia reakcji zmierzona w

warunkach standardowych, tzn. reagenty jako czyste
substancje, pod ciścieniem P

o

= 10

5

Pa i w temperaturze

298 K (lub podanej)

(–) reakcja egzotermiczna – reagujący układ traci energię (ciepło)

Wapiennik

Znak entalpii (+/–) ustala się dla reakcji:

(+) reakcja endotermiczna – reagujący układ zyskuje energię (ciepło)

(–)

(+)

Entalpie dodaje się tak, jak reakcje

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

EFEKT ENERGETYCZNY REAKCJI

Prawo Hessa: Efekt energetyczny reakcji nie zależy od drogi po

której reakcja przebiega, a jedynie od jej stanu
początkowego i końcowego

C + O

2

=

C
O

2

Przykład: Otrzymywanie ditlenku węgla CO

2

Substraty

C

O

2

Droga 1

ΔH°(1)= –393,5 kJ/mol

Droga 2

C + ½ O

2

= CO

ΔH°(2)= –110,5 kJ/mol

CO + ½ O

2

=

CO

2

ΔH°(3)= –283 kJ/mol

CO

2

ΔH°(1)= ΔH°(2) + ΔH°(3) = (–110,5) + (–283) = –393,5 kJ/mol

Produkt

R(1)

R(2)

R(3)

R(1) = R(2) + R(3)

C + ½ O

2

=
CO

CO + ½ O

2

=

CO

2

C + CO +O

2

= CO +CO

2

+

R(2)

R(3)

R(1)

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

Wyznaczanie entalpii reakcji na podstawie entalpii
tworzenia reagentów

C + 2H

2

=

CH

4

Zadanie: Obliczyć ΔH° reakcji spalania
metanu.

ΔH°(1)= –75 kJ/mol

H

2

+ ½ O

2

=

H

2

O

C + O

2

= CO

2

ΔH°(0)= ΔH°(2) + 2ΔH°(3) – ΔH°(1) = (–393,5) + 2(–286) – (–75) = – 890,5 kJ/mol

R(1)

R(2)

R(3)

R(0) = R(2) + 2R(3) –
R(1)

Rozwiązanie:

R(0)

Reakcję R(0) można złożyć z reakcji tworzenia reagentów z pierwiastków

ΔH°(2)= –393,5 kJ/mol

ΔH°(3)= –286 kJ/mol

C + O

2

+

2

H

2

+

2

·½O

2

– C – 2H

2

=

CO

2

+

2

H

2

O

–

CH

4

+

R(2)

2R(3)

–R(1)

R(2)

2R(3)

–R(1)

CH

4

+ 2O

2

= CO

2

+ 2H

2

O

R(0)

Entalpie dodaje się tak, jak reakcje

CH

4

+ 2O

2

= CO

2

+ 2

H

2

O

–1

x 2

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

OBLICZENIA
STECHIOMETRYCZNE

Stechiometria – (gr. stoicheíon element) - ilościowy skład związków

chemicznych i stosunków ilościowych reagujących
substancji.

Podstawowe prawa stechiometrii:

●

Prawo zachowania masy:

Suma mas substratów jest równa sumie mas

produktów.

Przykład: Ile gramów wody powstanie w wyniku

reakcji
2,016 g wodoru z 32,00 g tlenu?

Odp. 2,016 + 32,00 = 34,02 g H

2

O

●

Prawo stosunków stałych:

Pierwiastki reagują ze sobą w stałych, ściśle
określonych stosunkach ilościowych (stechiometrycznych),
charakterystycznych dla danej reakcji.

45,0 g NO – y g H

2

O

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

●

Obliczanie liczności lub mas reagentów na podstawie równania reakcji

Zadanie: Podczas reakcji 4NH

3

+ 5O

2

= 4NO + 6H

2

O powstało 45,0 g NO.

Ile moli tlenu przereagowało i ile powstało gramów wody? M

NO

=

30,0 g/mol

Rozwiązanie:

Proporcja wagowa:

4NH

3

+ 5O

2

= 4NO + 6H

2

O

Obliczamy liczność NO:

Z reakcji wynika proporcja:

5 moli O

2

– 4 mole

NO

45,0 g

n

NO

=

= 1,50 mol

30,0 g/mol

x moli O

2

– 1,50 mola NO

x = 1,88 mola O

2

Z reakcji wynika inna proporcja:

4NH

3

+ 5O

2

= 4NO + 6H

2

O

4 mole NO

– 6 moli

H

2

O

Jakie są masy
tych substancji?

4·30,0 = 120,0 g

NO

– 6·18,0 = 108,0

g H

2

O

y = 40,5 g H

2

O

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

OBLICZENIA
STECHIOMETRYCZNE

●

Skład wagowy substancji

Zadanie: Obliczyć ułamki wagowe pierwiastków (skład procentowy)
NH

4

NO

3

.

Rozwiązanie:

NH

4

NO

3

1 mol związku zawiera 2 mole N

(nie

N

2

!)

1 mol związku zawiera 4 mole H

(nie

H

2

!)

1 mol związku zawiera 3 mole O

(nie

O

2

!)

Masa 1 mola NH

4

NO

3

:

2·14,0

+

4·1,0

+

3·16,0

= 80,0 g/mol

Ułamki wagowe pierwiastków:

2·14,0

80,0

w

N

=

= 0,35 → 35%

28,0

80,0

=

4·1,0

80,0

w

H

=

= 0,05 → 5%

4,0

80,0

=

3·16,0

80,0

w

O

=

= 0,60 → 60%

48,0

=

80,0

M

N

M

H

M

O

Wykład 3 – REAKCJE CHEMICZNE

●

Wyznaczanie wzoru chemicznego na podstawie składu wagowego substancji

Zadanie: Ustalić wzór boranu B

x

H

y

zawierającego wagowo 21,7%

wodoru.

M

BxHy

= 27,6 g/mol

Rozwiązanie:

B

x

H

y

W dowolnej ilości związku stosunek
x : y jest zawsze taki sam!

Pierwszy wzór związku:

W 100,0 g związku jest

21,7 g H

, a reszta to

78,3 g B.

Jakie to liczności?

1,0

g/mol

n

H

=

= 21,7

mol

21,7

g

10,8

g/mol

n

B

=

= 7,25

mol

78,3

g

B

7,25

H

21,7

- liczby atomów powinny być

całkowite!

Dzielimy obie liczby przez mniejszą z nich (czyli 7,25), co daje:

B

1

H

2,96

- Błąd analizy! – zaokrąglamy do 3

B

1

H

3

W cząsteczce może być wielokrotnie więcej atomów ( jak NO

2

i N

2

O

4

)

- sprawdzamy masę molową:

Jaki jest x : y w np. 100,0 g związku?

Dla BH

3

: 10,8 + 3·1,0 = 13,8 g/mol

Rzeczywista masa molowa

M

BxHy

= 27,6 g/mol

jest około 2 razy większa, co odpowiada wzorowi cząsteczki:

B

2

H

6

M

H

M

B