INSTYTUT MATERIAŁÓW INśYNIERSKICH I

BIOMEDYCZNYCH

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ Z CHEMII OGÓLNEJ

“Reakcje wymiany i katalityczne”

Opracowała

Dr inż. Santina Topolska

TYPY REAKCJI CHEMICZNYCH

WSTĘP

W olbrzymiej różnorodności notowanych w przyrodzie zjawisk dają się wyróżnić dwa

ich rodzaje: fizyczne i chemiczne.

Zjawiskami fizycznymi

naz. przemiany przebiegające z zachowaniem nie zmienionego

składu materii. W czasie przebiegu zjawiska fizycznego: topnienia, rozpuszczania,

rozdrabniania itp. substancje zmieniają swe własności fizyczne.

Zjawiskami lub reakcjami chemicznymi

naz. przemiany, w których dokonuje się zmiany

istoty i własności materii. Rezultatem tych przemian jest powstawanie substancji o nowych,

odmiennych własnościach. Przykład: spalanie węgla w tlenie.

Substancje są to jednorodne rodzaje materii, mające w każdym przypadku określony i

niezmienny skąd chemiczny (pierwiastek, związek chemiczny). Substancje, które ulegają

przemianie w reakcji chemicznej nazywamy substratami, a te które powstają w wyniku tej

przemiany – produktami reakcji.

Różnorodność reakcji chemicznych zmusza do sklasyfikowania ich w pewne grupy. Reakcje

chemiczne można sklasyfikować wg różnych kryteriów. Niektóre sposoby klasyfikacji mają

charakter bardzo ogólny, inne są znane tylko wąskim gronu specjalistów.

Kryterium podziału możne stanowić:

typ zachodzącej przemiany (podział klasyczny na reakcje syntezy, analizy i wymiany),

zdolność do przyłączania lub oddawania elektronów (reakcje redoks),

rodzaj aktywnych cząstek reagujących i mechanizm reakcji,

stan fazowy substratów i produktów reakcji,

stan energetyczny reakcji,

odwracalność reakcji.

1. REAKCJE SYNTEZY I ROZKŁADU

a)

Reakcje syntezy (przyłączania)

Synteza jest reakcją, w której z dwu lub więcej substancji prostych powstaje jedna,

nowa substancja bardziej złożona wg schematu:

A + B = AB

A + B + C = ABC

Np.:

C + O

2

= CO

2

↑↑↑↑

,

CaO + CO

2

= CaCO

3

↓↓↓↓

(kreda),

N

2

O

5

+ H

2

O = 2HNO

3

Szczególnym przypadkiem reakcji syntezy są procesy łączenia się cząsteczek tego samego

rodzaju w większe, np.:

nCH

2

=CHCl

→

→

→

→

(-CH

2

-CHCl-) n

(chlorek winylu) – (polichlorek winylu)

2NO

2

⇔

⇔

⇔

⇔

N

2

O

4

Ten rodzaj syntezy, polegający na łączeniu się pewnej liczby atomów lub cząsteczek tego

samego rodzaju w większe, naz. polimeryzacją, a produkt polimerem.

b)

Reakcje analizy (rozkładu)

Pojęcie analizy jest odwrotnością pojęcia syntezy. W reakcjach rozkładu związek

chemiczny pod wpływem różnych czynników ulega rozkładowi na prostsze, atomy lub

cząsteczki. Reakcje tego typu zapisuje się schematycznie.

AB = A+ B

Przykłady reakcji rozkładu:

^ dysocjacja termiczna- rozkład związku chemicznego pod wpływem działania

podwyższonej temperatury, np.:

CaCO

3

→

→

→

→

CaO + CO

2

↑↑↑↑

,

temp. reakcji 950°C

^ elektroliza – rozkład związku chemicznego w stanie stopionym lub rozpuszczonym w

wodzie pod wpływem działania stałego prądu elektrycznego, np. rozkład stopionego chlorku

ołowiu (II) na ołów i chlor, lub r-ru wodnego chlorku sodu na sód i chlor,

PbCl

2

→

→

→

→

Pb+Cl

2

↑↑↑↑

2NaCl

→

→

→

→

2Na + Cl

2

↑↑↑↑

^fotoliza – rozkład związku chemicznego pod wpływem światła

2AgCl

→

→

→

→

2Ag + Cl

2

↑↑↑↑

^radioliza – rozkład związku chemicznego pod wpływem promieniowania jonizującego.

Przykładem promieniowania jonizującego może być promieniowanie rentgenowskie,

promieniowanie, kosmiczne, neutronowe i elektronowe.

Reakcje rozkładu mogą także zachodzić pod wpływem działania ultradźwięków.

2. REAKCJE WYMIANY I KATALITYCZNE

a) Reakcje wymiany

Są to reakcje, w których poszczególne składniki działających na siebie związków

chemicznych ulegają wymianie tworząc nowe związki chemiczne.

Reakcje wymiany można podzielić na dwie podgrupy:

^ reakcje wymiany pojedynczej, czyli podstawienia wg schematu

A + BC = AC + B

Na przykład:

Zn + 2HCl = ZnCl

2

+ H

2

↑↑↑↑

2K + 2H

2

O = 2KOH + H

2

↑↑↑↑

^ reakcje wymiany podwójnej wg schematu

AB + CD = AD + CB

Na przykład:

HNO

3

+ KOH = KNO

3

+ H

2

O

2NaCl + H

2

SO

4

= Na

2

SO

4

+ 2HCl

b) Reakcje katalityczne

Reakcje katalityczne polegają na wprowadzeniu do niej czynnika przyspieszającego

(bądź opóźniającego) dana reakcje chemiczną. Czynnikiem powodującym wzrost szybkości

reakcji chemicznej naz. katalizatorem. Katalizator po zakończeniu reakcji można poddać

recyklingowi (odzyskiwanie go, np. po dekantacji i osuszeniu) i ponownie użyć do następnej

reakcji.

3. REAKCJE ATOMOWE, JONOWE, CZĄSTECZKOWE I RODNIKOWE

Reagenty biorące udział w reakcji mogą mieć różny charakter i dlatego też

rozróżniamy reakcje atomowe, jonowe, cząsteczkowe i rodnikowe.

Reakcje atomowe:

a) są to reakcje, gdzie reagentami są tylko wolne atomy, np.:

H + H = H

2

,

lub

b) gdy przynajmniej jeden z reagentów występuje w postaci wolnych atomów, które

reagują z cząsteczkami, jonami lub też wolnymi rodnikami, np.

2Na + Cl

2

→

→

→

→

2 NaCl

Fe + Cu

2+

→

→

→

→

Fe

2+

+ Cu

H + C

2

H

5

•

→

→

→

→

C

2

H

6

•

- oznacznik rodnika

Reakcje jonowe:

Takie reakcje przebiegają pomiędzy jonami przeważnie w r-rach wodnych i w innych

rozpuszczalnikach polarnych. Np. reakcje chlorku baru z kwasem siarkowym w r-rze

wodnym zachodzi wg równania:

2H

+

+ SO

4

2-

+ Ba

2+

+ 2Cl

-

→

→

→

→

BaSO

4

+ 2H

+

+ 2Cl

-

po uproszczeniu równanie przyjmuje postać:

SO

4

2-

+ Ba

2+

→

→

→

→

BaSO

4

Reakcje cząsteczkowe:

To takie reakcje, w których reagenty występują w postaci cząsteczek lub reakcjE, w

których przynajmniej jeden z reagentów występuje w postaci cząsteczek i reaguje z wolnymi

atomami, jonami lub wolnymi rodnikami. Reakcje cząsteczkowe przebiegają w fazie gazowej,

rzadziej w r-rach rozpuszczalników niepolarnych. Są one dość powolne.

Przykłady:

J

2

+ H

2

→

→

→

→

2HJ

2SO

2

+ O

2

→

→

→

→

2SO

3

2NO

2

→

→

→

→

2NO + O

2

Reakcje rodnikowe:

Takie reakcje zachodzą wtedy, kiedy pod wpływem najczęściej energii

promieniowania elektromagnetycznego następuje rozbicie trwałej cząsteczki na nietrwałe

rodniki. Rodnikowy charakter ma, np. reakcja fotosyntezy chlorowodoru, przebiegająca w

kilku etapach.

Cl

2

+ hν = 2Cl

•

reakcja tworzenia rodników,

H

2

+ hν = 2H

•

reakcja tworzenia rodników,

Cl

2

+ H

•

= HCl + Cl

•

reakcja rodnikowa,

H

2

+ Cl

•

= HCl + H

•

reakcja rodnikowa,

Cl

•

+ H

•

= HCl

reakcja

rekombinacji

rodników.

Z udziałem wolnych rodników przebiega szereg reakcji organicznych. Reakcje rodnikowe

zachodzą w fazie gazowej lub ciekłej. Szybkość tych reakcji jest bardzo duża.

4. REAKCJE HOMOGENICZNE I HETEROGENICZNE

Reakcje homogeniczne (jednofazowe) są to reakcje, w których wszystkie substraty i

produkty znajdują się w tej samej fazie, np. reakcje w r-rach całkowicie się z sobą mieszają

(reakcje zobojętniania i podobne):

NaOH + HCl = NaCl + H

2

O

Homogeniczne są także wszystkie reakcje między gazami, zachodzące w całej objętości gazu

bez udziału powierzchni granicznej.

Reakcje heterogeniczne (wielofazowe) przebiegają na granicy dwu faz. Reakcje takie

zachodzą, jeżeli:

reagujące substraty znajdują się w różnych fazach, np.:

C

(s)

+ O

2(g)

= CO

2(g)

powstający produkt jest w innej fazie niż substraty, np.:

Ag

+

(r-r)

+ Cl

-

(r-r)

= AgCl

(s)

substraty reagują ze sobą w stanie stałym i produktem reakcji jest również ciało stałe,

Fe

2

0

3(s)

+ ZnO

(s)

= ZnFe

2

O

4(s)

(s) faza stała, (g) faza gazowa, (r-r) roztwór

Do reakcji heterogenicznych zalicza się takie procesy, w których wszystkie składniki znajdują

się w fazie gazowej, ale reakcje między gazowymi cząsteczkami przebiegają nie w całej

objętości, lecz jedynie na powierzchni granicznej innej fazy, np. na powierzchni ciała stałego.

Przykładem może być reakcja syntezy amoniaku:

N

2(g)

+ 3H

2(g)

= 2NH

3(g)

przebiegająca na rozgrzanej powierzchni katalizatora.

5. KLASYFIKACJA REAKCJI CHEMICZNYCH ZE WZGLĘDU NA

TOWARZYSZĄCE IM EFEKTY ENERGETYCZNE

Jakiejkolwiek reakcji chemicznej towarzyszy wymiana energii z otoczeniem. Może to

być energia cieplna, elektryczna lub promieniowania elektromagnetycznego.

Reakcje chemiczne przebiegające samorzutnie z wydzieleniem energii naz. reakcjami

egzoenergetycznymi. Są też reakcje endoenergetyczne, do których musimy doprowadzić

dodatkową energię do układu.

Energia cieplna jest najczęściej spotykaną formą energii wydzielanej lub pobranej.

Reakcje egzotermiczne – reakcje chemiczne, którym towarzyszy wydzielanie ciepła, np.

C + O

2

= CO

2

+ 394kJ

Reakcje endotermiczne są reakcjami odwrotnymi, czyli do układu doprowadzone zostaje

ciepło z zewnątrz, np.

2Ag

2

O = 4Ag + O

2

– 60kJ

Inne typy energii niż energia cieplna powinny być doprowadzone z zewnątrz w przypadku,

np.:

^ reakcji elektrochemicznych – prąd elektryczny,

^ reakcji fotochemicznych – promieniowanie świetlnego

^ reakcji radiacyjno – chemicznych – promieniowania jonizującego,

^ reakcji sonochemicznych (fonochemicznych) – ultradźwięków.

6. REAKCJE ODWRACALNE I NIEODWRACALNE

Reakcję naz. odwracalną (równowagową) jeżeli w jej wyniku ustala się określony

stan równowagi, w którym współistnieją produkty i substraty:

A+B

⇔

⇔

⇔

⇔

C+ D

Na przykład, reakcje pomiędzy wodorem i jodem:

H

2

+ J

2

⇔

⇔

⇔

⇔

2HJ

W reakcjach nieodwracalnych teoretycznie cała masa substratów reakcji ulega przeobrażeniu

w produkty:

A+ B

→

→

→

→

C + D

Rozpatrując reakcje nieodwracalne należy jednak zdać sobie sprawę, ze w praktyce reakcje te

zachodzą do końca tylko w niewielu przypadkach. Z reakcjami praktycznie nieodwracalnymi

ma się do czynienia wtedy, jeżeli jeden z produktów jest usuwany z środowiska reakcji, np.:

^ reakcja przebiegające z wytworzeniem utleniającego się gazu, np.

CaCO

3

→

→

→

→

CaO + CO

2

↑↑↑↑

^ reakcje jonowe w wyniku, których tworzy się substancja bardzo słabo zdysocjowana

(woda w reakcji zobojętniania) lub bardzo słabo rozpuszczalna (strącanie osadu), np.

HCl + NaOH

→

→

→

→

NaCl + H

2

O

AgNO

3

+ NaCl

→

→

→

→

AgCl↓+ NaNO

3

(saletra sodowa)

7. PRZEBIEG ĆWICZENIA

Przebieg ćwiczenia obejmuje realizację następujących zadań:

1)

Wypieranie słabego kwasu przez mocny kwas:

W probówce umieścić ok. 0,2 g siarczanu (IV) sodu, a następnie wlać 1 ml 1 M kwasu

siarkowego (VI).

OSTROśNIE

powąchać wydzielający się gaz. Podać równanie reakcji.

2)

Wypieranie amoniaku z jego soli mocną zasadą:

W probówce umieścić ok. 0,2 g soli amonowej, następnie powoli wlewać ok. 1 ml r-ru

wodorotlenku sodu. Obecność wydzielającego się gazu stwierdzić przy pomocy powonienia

lub za pomocą wilgotnego papierka wskaźnikowego. Podać równanie reakcji.

3)

Reakcja wodorotlenku sodu z siarczanem (VI) miedzi (II):

Do zlewki wlać wodny r-r siarczanu (VI) miedzi (II) i dodawać kroplami wodny r-r

wodorotlenku sodu. Zawartość zlewki przenieść na sączek, a po odsączeniu przemyć wodą

destylowaną. Podać równanie reakcji.

4)

Wypieranie miedzi z r-ru siarczanu (VI) miedzi (II):

Włożyć do probówki kilka granulek cynku i wlać kilka ml 10% r-ru siarczanu (VI)

miedzi (II). Zaobserwować zmiany zachodzące w r-rze i na powierzchni cynku. Podać

równanie reakcji.

5)

Katalityczny rozkład wody utlenionej:

Równolegle do dwóch probówek wlać po ok. 1 ml 3% r-ru wody utlenionej. Do jednej z

nich dodać

znikomą

ilość dwutlenku manganu, a drugą pozostawić w spokoju. Podać

równanie reakcji. Jakie znaczenie ma dwutlenek manganu.

6)

Reakcje magnezu (żelaza, cynku, miedzi) z kwasem solnym:

Do kilku probówek włożyć kilka granulek Mg, Fe, Zn, Cu i wlać po ok. 2 ml stężonego

kwasu solnego. Podać równanie reakcji. Czy wszystkie reakcje zajdą? Uzasadnij wypowiedź.

7)

Otrzymywanie siarkowodoru (zadanie teoretyczne):

Jeżeli zmieszamy r-r siarczku sodu Na

2

S z r-rem kwasu siarkowego – to poczujemy

wydzielający się intensywny gaz (szkodliwy dla organizmu). Jakie będzie równanie reakcji?

8. WYPOSAśENIE

zlewki,

probówki szklane,

granulki Zn, Fe, Mg, Cu,

r-r 1 M kwasu siarkowego (VI),

sól amonowa,

r-r wodorotlenku sodu,

10 % r-r siarczanu (VI) miedzi (II),

3% r-r wody utlenionej,

r-r 1M kwasu solnego,

stały dwutlenek manganu

9. UWAGI DO SPRAWOZDANIA

W sprawozdaniu należy umieścić:

1) opis wykonywanych ćwiczeń laboratoryjnych,

2) poprawnie zapisane reakcje chemiczne (z uwzględnieniem stechiometrii) wraz z

zaobserwowanymi spostrzeżeniami.

10. ZAGADNIENIA DO KOLOWIUM OBEJMUJE ZNAJOMOŚĆ

zjawiska chemiczne i fizyczne,

kryterium podziału reakcji,

reakcje syntezy, analizy, wymiany, katalityczne, atomowe, jonowe, cząsteczkowe i

rodnikowe,

reakcje jednofazowe i wielofazowe,

reakcje z efektem cieplnym,

reakcje odwracalne i nieodwracalne,\.

11. LITERATURA

[1] A. Bielański: „Chemia ogólna i nieorganiczna”, PWN, W-wa, 1997.

[2] W. Trzebiatowski: „Chemia nieorganiczna”, PWN, W-wa, 1977.