Wykład 2

część 1

Reakcje przebiegające
w roztworach wodnych

Reakcje chemiczne w roztworach wodnych

Reakcje chemiczne polegają na przemianie substancji chemicznych
charakteryzujących się określonymi właściwościami fizycznymi
i chemicznymi (substraty reakcji chemicznej) w związki o innych
właściwościach chemicznych i fizycznych (produkty reakcji
chemicznej).
W roztworach wodnych związków chemicznych, będących
elektrolitami, następuje dysocjacja (rozpad cząsteczek związku pod
wypływem cząsteczek wody) na jony (

dodatnie

= kationy i

ujemne

=

aniony).
Dysocjacji ulegają: sole, wodorotlenki i kwasy.
Do nieelektrolitów, czyli substancji, które nie ulegają dysocjacji,
zaliczanych jest większość związków organicznych oraz tlenki i
wodorki nie reagujące z wodą.

Mocny kwas dysocjuje całkowicie na jony pod wpływem
wody

Dodaj kwas do wody

Związki, które w roztworze wodnym ulegają całkowitej dysocjacji

na jony pod wpływem cząsteczek wody należą do mocnych

elektrolitów.

Dysocjacja 100%

Mocne kwasy i mocne

zasady

Wzory Nazwy

: kwas

HCl

chlorowodorowy

HBr

bromowodorowy

HI

bromowodorowy

HNO

3

azotowy(V)

HClO

4

chlorowy(VII)

H

2

SO

4

siarkowy(VI)

Mocne kwasy i mocne zasady

Wzory

Nazwy

:

wodorotlenek

NaOH

sodu

KOH

potasu

Ca(OH)

2

wapnia

Sr(OH)

2

strontu

Ba(OH)

2

baru

DYSOCJACJA KWASÓW

Kwasy monowodorowe dysocjują na kationy H

+

i aniony reszt

kwasowych, natomiast kwasy wielowodorowe ulegają dysocjacji
etapowej, w pierwszym etapie ulega odłączeniu tylko jeden kation
H

+

, natomiast w kolejnych etapach oddysocjowują następne jony H

+

.

HR

H

+

+ R

-

(mocny kwas)

HR

H

+

+ R

-

(słaby kwas)

Przy zapisie dysocjacji pomijamy napisanie nad strzałkami

H

2

O

(jako

oczywiste)

Kwasy wieloprotonowe
H

n

R

H

+

+ H

n-1

R

-

mocny kwas

H

n

R

H

+

+ H

n-1

R

-

słaby kwas

H

2

O

H

2

O

Kolejne etapy dysocjacji przebiegają w mniejszym stopniu niż pierwszy

etap dysocjacji (w przypadku mocnych kwasów)

H

n-1

R

-

H

+

+ H

n-2

R

2

-

itd.

Ogólnie dysocjację kwasów wieloprotonowych można zapisać

jako:

H

n

R

nH

+

+ R

n

-

(słabe kwasy oraz mocny kwas

na dalszych stopniach dysocjacji)

Umawiamy się,

że w przypadku mocnych kwasów (jeżeli nie zostanie podane

inaczej) dysocjacja w obu stopniach będzie zapisywana jako

dysocjacja całkowita, pomimo, że drugi stopień dysocjacji nie

przebiega w 100%

H

n

R

nH

+

+ R

n

-

DYSOCJACJA WODOROTLENKÓW

Wodorotlenki dysocjują na kationy metali (w przypadku NH

4

OH na kationy

amonowe) oraz aniony wodorotlenowe

MOH M

+

+ OH

-

(mocna zasada)

MOH M

+

+ OH

-

(słaba zasada)

Wodorotlenki zawierające kilka grup OH

-

dysocjują etapowo:

M(OH)

n

M(OH)

n-1

+

+ OH

-

M(OH)

n

+

M(OH)

n-2

2

+

+ OH

-

itd.

Ogólnie dysocjację słabej zasady i mocnej na drugim stopniu dysocjacji

można zapisać jako:

M(OH)

n

M

n

+

+ n OH

-

Umawiamy się,

że w przypadku mocnych zasad (jeżeli nie zostanie podane inaczej)

dysocjacja w obu stopniach będzie zapisywana jako dysocjacja całkowita

( → ) , pomimo, że drugi stopień dysocjacji nie przebiega w 100%

DYSOCJACJA SOLI

Sole dysocjują kationy metali (lub kationy amonowe) oraz aniony reszt

kwasowych.
M

n

R

m

nM

i+

+ mR

j -

gdzie

n

.

i = m

.

j ( liczba ładunków dodatnich = liczbie ładunków ujemnych)

Sole nieorganiczne, są to związki występujące na ogół (temperaturze

pokojowej) jako związki stałe, krystaliczne, o budowie jonowej. Po
wprowadzeniu do wody jony sieci krystalicznej na skutek
oddziaływań z cząsteczkami wody są uwalniane do roztworu.
Niektóre z jonów reagują z cząsteczkami wody (reakcje hydrolizy).

W przypadku soli praktycznie nierozpuszczalnych i trudno

rozpuszczalnych stężenie jonów w roztworze jest znikome
(stężenie to może być oznaczone w oparciu o tzw. iloczyn
rozpuszczalności soli K

ir

).

Rozpuszczanie substancji

jonowej w wodzie

NaCl struktura
krystaliczna

NaCl rozpuszczone w
wodzie

H

2

O

Tabela rozpuszczalności soli i wodorotlenków w wodzie:

NH

4

+

Na

+

K

+

Mg

2+

Ca

2+

Ba

2+

Cr

3+

Mn

2+

Fe

2+

Fe

3+

Co

2+

Ni

2+

Cu

2+

Ag

+

Au

3+

Zn

2+

Cd

2+

Hg

2+

Al

3+

Sn

2+

Pb

2+

Bi

3+

OH

-

R R R

NR

TR R

NR

NR NR

NR NR NR NR && NR

NR

NR

NR NR NR NR NR

F

-

R R R

NR

NR NR

NR

TR

TR NR

R

TR

NR R

R

NR

TR R TR

R NR

R

Cl

-

R R R R R R

R

R

R

R

R

R

R

NR

R

R R R R R TR

R

Br

-

R R R R R R

R

R

R

R

R

R

R

NR

R

R R TR R R TR

R

I

-

R R R R R R

R

R

R

&&

R

R

&& NR

TR

R R

NR

R TR NR

NR

S

2-

R R R

&&

TR R

NR

NR

NR NR NR NR NR NR NR

NR

NR

NR

&&

NR NR NR

SO

3

2-

R R R R NR NR

R

NR NR &&

NR NR

&& TR

NR

TR TR

&&

&& TR NR TR

SO

4

2-

R R R R TR

NR

R

R

R R

R

R

R TR R R R R R R

NR

R

NO

2

-

R R R R R R

R

R

R

NR

R

R

R TR &&

R R R R TR

R NR

NO

3

-

R R R R R R

R

R

R R

R

R

R R R R R R R R R R

PO

4

2-

R R R

NR

NR NR

NR

NR

NR NR

NR

NR NR NR NR

NR

NR

NR NR NR NR NR

CO

3

2-

R R R

NR

NR NR

NR

NR NR

&&

NR NR && NR NR

NR

NR

NR

&&

NR

NR NR

SiO

3

2-

R R R

NR

NR NR

&&

NR

NR NR

NR

NR && && && NR

NR

&& NR && NR &&

MnO

4

2-

R

R

R

R

R

R

R

&& &&

R

R

R

R

R

&&

R

R

&&

R

&&

R

R

CrO

4

2-

R

R

R

R

TR NR

NR

NR

&&

R

NR

NR

R NR

&&

TR NR

TR

NR NR

NR

NR

octan

R R R R R R

R

NR

R R

R

R

R R R R R R R R R R

Kolor tła odzwierciedla zabarwienie roztworu, białe tło wskazuje , że roztwór jest bezbarwny

R substancja dobrze rozpuszczalna w wodzie (rozpuszczalność powyżej 1 g /100 g H

2

O

TR substancja o niewielkiej rozpuszczalności, strącająca się przy odpowiednim stężeniu roztworu
(rozpuszczalność 0,1-1g/100g H

2

O)

NR - substancja praktycznie nierozpuszczalna, strąca się z rozcieńczonych roztworów
(rozpuszczalność poniżej 0,1 g w 100 g wody)

&& - zachodzą skomplikowane reakcje, lub substancja nie została otrzymana

Tabela rozpuszczalności soli i wodorotlenków w wodzie:

NH

4

+

Na

+

K

+

Mg

2+

Ca

2+

Ba

2+

Cr

3+

Mn

2+

Fe

2+

Fe

3+

Co

2+

Ni

2+

Cu

2+

Ag

+

Au

3+

Zn

2+

Cd

2+

Hg

2+

Al

3+

Sn

2+

Pb

2+

Bi

3+

OH

-

R R R

NR

TR R

NR

NR NR

NR NR NR NR && NR

NR

NR

NR NR NR NR NR

F

-

R R R

NR

NR NR

NR

TR

TR NR

R

TR

NR R

R

NR

TR R TR

R NR

R

Cl

-

R R R R R R

R

R

R

R

R

R

R

NR

R

R R R R R TR

R

Br

-

R R R R R R

R

R

R

R

R

R

R

NR

R

R R TR R R TR

R

I

-

R R R R R R

R

R

R

&&

R

R

&& NR

TR

R R

NR

R TR NR

NR

S

2-

R R R

&&

TR R

NR

NR

NR NR NR NR NR NR NR

NR

NR

NR

&&

NR NR NR

SO

3

2-

R R R R NR NR

R

NR NR &&

NR NR

&& TR

NR

TR TR

&&

&& TR NR TR

SO

4

2-

R R R R TR

NR

R

R

R R

R

R

R TR R R R R R R

NR

R

NO

2

-

R R R R R R

R

R

R

NR

R

R

R TR &&

R R R R TR

R NR

NO

3

-

R R R R R R

R

R

R R

R

R

R R R R R R R R R R

PO

4

2-

R R R

NR

NR NR

NR

NR

NR NR

NR

NR NR NR NR

NR

NR

NR NR NR NR NR

CO

3

2-

R R R

NR

NR NR

NR

NR NR

&&

NR NR && NR NR

NR

NR

NR

&&

NR

NR NR

SiO

3

2-

R R R

NR

NR NR

&&

NR

NR NR

NR

NR && && && NR

NR

&& NR && NR &&

MnO

4

2-

R

R

R

R

R

R

R

&& &&

R

R

R

R

R

&&

R

R

&&

R

&&

R

R

CrO

4

2-

R

R

R

R

TR NR

NR

NR

&&

R

NR

NR

R NR

&&

TR NR

TR

NR NR

NR

NR

octan

R R R R R R

R

NR

R R

R

R

R R R R R R R R R R

Kolor tła odzwierciedla zabarwienie roztworu, białe tło wskazuje , że roztwór jest bezbarwny

R substancja dobrze rozpuszczalna w wodzie (rozpuszczalność powyżej 1 g /100 g H

2

O

TR substancja o niewielkiej rozpuszczalności, strącająca się przy odpowiednim stężeniu roztworu
(rozpuszczalność 0,1-1g/100g H

2

O)

NR - substancja praktycznie nierozpuszczalna, strąca się z rozcieńczonych roztworów
(rozpuszczalność poniżej 0,1 g w 100 g wody)
&& - zachodzą skomplikowane reakcje, lub substancja nie została otrzymana

Uproszczone reguły dotyczące rozpuszczalności soli w wodzie:

„

sole sodowe, potasowe i amonowe są zazwyczaj dobrze rozpuszczalne w
wodzie (wyjątek KClO

4

)

„

Azotany (V), chlorany (VII), octany są na ogół dobrze rozpuszczalne w
wodzie

„

siarczany (VI) są na ogół dobrze rozpuszczalne w wodzie (wyjątki PbSO

4

,

BaSO

4

, SrSO

4

, przy dużych stężeniach Ag

2

SO

4

)

„

chlorki są dobrze rozpuszczalne w wodzie (wyjątki: AgCl, PbCl

2

, Hg

2

Cl

2

)

„

węglany, fosforany, krzemiany, siarczki są trudno rozpuszczalne w wodzie
(z wyjątkiem związków sodu, potasu i amonu)

Zapis cząsteczkowy i jonowy reakcji

Równanie przebiegającej reakcji może być przedstawione w postaci

cząsteczkowej lub jonowej.

Przykład zapisu cząsteczkowego dla reakcji mocnego kwasu z mocną

zasadą- reakcji zobojętniania:

NaOH + HCl → NaCl + H

2

O

Zapis jonowy pełny :

Na

+

+ OH

-

+ H

+

+ Cl

-

→ Na

+

+ Cl

-

+ H

2

O

Zapis jonowy skrócony:

H

+

+ OH

-

→ H

2

O

Zapis cząsteczkowy dla reakcji słabego kwasu ze słabą zasadą- reakcji

zobojętniania:

NH

3

.

H

2

O + HNO

2

→ NH

4

NO

2

+ H

2

O

Zapis jonowy pełny: NH

3

.

H

2

O + HNO

2

NH

4

+

+ NO

2

-

+ H

2

O

Zapis jonowy skrócony: H

+

+ OH

-

→ H

2

O

Zasady zapisu jonowego

W postaci jonowej piszemy:
Związki, które w roztworze wodnym są zdysocjowane na jony tj.:

„

mocne kwasy,

„

mocne zasady,

„

rozpuszczalne sole.

W postaci niejonowej (cząsteczkowej) zapisujemy:

„

słabe elektrolity, związki niezdysocjowane, czyli:

‰

wodę,

‰

słabe kwasy,

‰

słabe zasady,

‰

nierozpuszczalne w wodzie wodorotlenki,

‰

nierozpuszczalne w wodzie sole,

‰

atomy pierwiastków i cząsteczki wieloatomowe pierwiastków

‰

substancje gazowe

Reakcja w roztworze wodnym przebiega, jeżeli w jej wyniku:

¾

tworzy się związek trudno rozpuszczalny,

przykłady:

Reakcja 1
Na

2

SiO

3

+ 2HCl → H

2

SiO

3

↓ + 2NaCl

2Na

+

+ SiO

3

2

-

+ 2H

+

+ 2Cl

-

→ H

2

SiO

3

↓ + 2Na

+

+ 2Cl

-

SiO

3

2

-

+ 2H

+

→ H

2

SiO

3

↓

Reakcja 2
NiSO

4

+ 2 NaOH → Ni(OH)

2

↓ + Na

2

SO

4

Ni

2

+

+ 2 OH

-

→ Ni(OH)

2

↓

Reakcja 3
CaCl

2

+ Na

2

SO

4

→ CaSO

4

↓ + 2NaCl

Ca

2

+

+ SO

4

2

-

→ CaSO

4

↓

Reakcja 4
KBr + AgNO

3

→ AgBr ↓ + KNO

3

Br

-

+ Ag

+

→ AgBr ↓

Reakcja 5
KI + AgNO

3

→ AgI ↓ + KNO

3

Ag

+

+ I

-

→ AgI ↓

1

2

3

4

5

Osad H

2

SiO

3

Osad Ni(OH)

2

Osad CaSO

4

Osad AgBr

Osad AgI

¾

rozpuszcza się osad

(związek trudno rozpuszczalny), przykłady:

Reakcja 1

Zn(OH)

2

↓ + 2 NaOH → Na

2

[Zn(OH)

4

] tetrahydroksocynkan sodu

Zn(OH)

2

↓ + 2 Na

+

+ 2OH

-

→ 2Na

+

+

Zn(OH)

4

2-

Zn(OH)

2

↓ + 2OH

-

→ Zn(OH)

4

2-

Reakcja 2

Ag

2

O ↓ + 4 NH

3

.

H

2

O → 2[Ag(NH

3

)

2

]OH + 3H

2

O

wodorotlenek

diaminasrebra

Ag

2

O ↓ + 4 NH

3

.

H

2

O → 2[Ag(NH

3

)

2

]

+

+ 2OH

-

+ 3H

2

O

Reakcja 3

Mg(OH)

2

↓ + 2NH

4

Cl → MgCl

2

+ 2 NH

3

.

H

2

O

Mg(OH)

2

↓ + 2NH

4

+

→ Mg

2+

+ 2 NH

3

.

H

2

O

¾

powstaje związek słabo zdysocjowany

, przykład:

reakcja 1
NaOH + HClO

4

→ NaClO

4

+ H

2

O

Na

+

+ OH

-

+ H

+

+ ClO

4

-

→ Na

+

+ ClO

4

-

+

H

2

O

OH

-

+ H

+

→ H

2

O

reakcja 2

NaOH + HCl → NaCl +

H

2

O

OH

-

+ H

+

→ H

2

O

NaOH +

fenoloftaleina

NaOH +

fenoloftaleina

Dodajemy HCl

NaOH +

fenoloftaleina

Dodajemy

HCl

Odbarwienie

fenoloftaleiny

reakcja 3
NH

4

Cl + KOH → KCl + NH

3.

.

H

2

O

NH

4

+

+ OH

-

→ NH

3.

.

H

2

O

¾

powstaje związek dobrze zdysocjowany

, przykłady:

reakcja 1

3 NH

3

+ H

3

PO

4

→ (NH

4

)

3

PO

4

3 NH

3

+ H

3

PO

4

→ 3NH

4

+

+ PO

4

3-

reakcja 2
CaO↓ + H

2

O → Ca(OH)

2

CaO ↓ + H

2

O → Ca

2+

+ 2 OH

-

¾

powstaje związek lotny

, przykład:

reakcja 1
2 NaCl + H

2

SO

4

→ Na

2

SO

4

+ 2HCl ↑

2Na

+

+ 2Cl

-

+ 2H

+

+ SO

4

2-

→ 2Na

+

+ SO

4

2-

+ 2HCl ↑

2Cl

-

+ 2H

+

→ 2HCl ↑

Cl

-

+ H

+

→ HCl ↑

rekacja 2

Δ

NH

3.

.

H

2

O →

NH

3

↑ + H

2

O

(Δ = ogrzewanie)

¾

następuje przekazywanie elektronów

, przykład:

reakcja 1
2NaBr + Cl

2

→ 2 NaCl + Br

2

2Na

+

+ 2Br

-

+ Cl

2

→ 2Na

+

+ 2Cl

-

+ Br

2

2Br

-

+ Cl

2

→ 2Cl

-

+ Br

2

roztwór wodny
NaBr

Chloroform

rozpuszczalnik
organiczny
nierozpuszczalny
w H

2

O

¾

następuje przekazywanie elektronów, przykład:

reakcja 1
2NaBr + Cl

2

→ 2 NaCl + Br

2

2Na

+

+ 2Br

-

+ Cl

2

→ 2Na

+

+ 2Cl

-

+ Br

2

2Br

-

+ Cl

2

→ 2Cl

-

+ Br

2

roztwór wodny
NaBr

Chloroform

rozpuszczalnik
organiczny
nierozpuszczalny
w H

2

O

dodajemy wody chlorowej (chlor gazowy
rozpuszczony w H

2

O)

¾

następuje przekazywanie elektronów, przykład:

reakcja 1
2NaBr + Cl

2

→ 2 NaCl + Br

2

2Na

+

+ 2Br

-

+ Cl

2

→ 2Na

+

+ 2Cl

-

+ Br

2

2Br

-

+ Cl

2

→ 2Cl

-

+ Br

2

Po dodaniu wody chlorowej

wydzielający się brom

(ciecz o zabarwieniu brązowym)

zabarwia roztwór wodny na kolor

jasnobrazowy

roztwór wodny
NaCl + Br

2

Chloroform

rozpuszczalnik
organiczny
nierozpuszczalny w
H

2

O

¾

następuje przekazywanie elektronów, przykład:

reakcja 1
2NaBr + Cl

2

→ 2 NaCl + Br

2

2Na

+

+ 2Br

-

+ Cl

2

→ 2Na

+

+ 2Cl

-

+ Br

2

2Br

-

+ Cl

2

→ 2Cl

-

+ Br

2

Chloroform

rozpuszczalnik
organiczny
nierozpuszczalny w
H

2

O + rozpuszczony

Br

2

Brom lepiej rozpuszcza się
w chloroformie niż wodzie
i dlatego
przechodzi do warstwy
cieczy organicznej
zabarwiając
ją na kolor brązowy

roztwór wodny
NaCl + Br

2

Amfoteryczność. Zapis jonowy reakcji

Amfoteryczność polega na zdolności do reagowania zarówno z

mocnym kwasem (przyjmowanie protonów od kwasu) jak i z
mocną zasadą (oddawanie protonów zasadzie).

Właściwości amfoteryczne mogą wykazywać:

™

niektóre metale, np.:

Reakcja z kwasem

Reakcja z zasadą

2Al + 6HCl → 2 AlCl

3

+ 3 H

2

↑

jonowo:
2Al + 6H

+

→ 2 Al

3+

+ 3 H

2

↑

2Al + 6 NaOH →2Na

3

AlO

3

+ 3H

2

jonowo:
2Al + 6OH

-

→ 2 AlO

3

3-

+ 3H

2

↑

Al, Zn

Reakcja glinu z HCl {1} i z NaOH {2}

{1}

{2}

Uwaga:

glin nie reaguje ze stężonym kwasem azotowym,

ponieważ w tych warunkach ulega pasywacji

HCl

NaOH

Pasywacja polega na wytworzeniu na powierzchni metalu cieniutkiej,
przylegającej do powierzchni metalu warstewki tlenku glinu, który nie reaguje
z HNO

3

stężonym, chroniąc tym samym metal przed dalszym utlenianiem.

Przedstawiona reakcja jest reakcją utleniania- redukcji (przekazywania

elektronów)

™

tleniki niektórych metali, np.:

Al

2

O

3

↓ + 6 HCl → 2 AlCl

3

+ 3 H

2

O

Al

2

O

3

↓ + 6H

+

→ 2 Al

3+

+ 3 H

2

O

Al

2

O

3

↓ + 2KOH → 2KAlO

2

+ H

2

O

Al

2

O

3

↓ + 2OH

-

→ 2AlO

2

-

+ H

2

O

Reakcję można zapisać również;
Al

2

O

3

↓ + 6KOH → 2K

3

AlO

3

+ 3H

2

O Al

2

O

3

↓ + 6OH

-

→ 2AlO

3

3-

+ 3H

2

O

ZnO, Al

2

O

3

, PbO

2

, Cr

2

O

3

Ponieważ tlenek glinu w tej reakcji zachowuje się jak

kwas, należałoby wyprowadzić kwasową formę

zawierającą glin.

W cząsteczce kwasu musi być wodór, a w tlenku glinu

nie ma wodoru, więc formę kwasową wyprowadzamy z

wodorotlenku glinu, a nie z tlenku glinu:

Al(OH)

3

H

3

AlO

3

HAlO

2

+ H

2

O

wodorotlenek

kwas

kwas

glinu

ortoglinowy

metaglinowy

™

Wodorotlenki niektórych metali lub, np.:

Be(OH)

2

, Zn(OH)

2

, Pb(OH)

2

, Sn(OH)

2

Al(OH)

3

, Cr(OH)

3

, Sb(OH)

3

Zn(OH)

2

↓ + 2HNO

3

→ Zn(NO

3

)

2

+ 2 H

2

O

Zn(OH)

2

↓ + 2H

+

→ Zn

2+

+ 2 H

2

O

Zn(OH)

2

↓

+ 2NaOH → Na

2

[Zn(OH)

4

]

tetrahydroksocynkan sodu

Zn(OH)

2

↓ + 2OH

-

→ Zn(OH)

4

2-

anion tetrahydroksocynku

Pb(OH)

2

↓ + 2HNO

3

→

Pb(NO

3

)

2

+ 2H

2

O

azotan (V) ołowiu(II)

Pb(OH)

2

↓ + 2H

+

→ Pb

2+

+ 2H

2

O

Pb(OH)

2

↓ + 2KOH →

K

2

[Pb(OH)

4

]

tetrahydroksoołowian (II) potasu

Pb(OH)

2

↓ + 2OH

-

→ Pb(OH)

4

2-

anion tetrahydroksoołowiu (II)

Al(OH)

3

↓ + 3HCl →

AlCl

3

+ 3H

2

O

chlorek glinu

Al(OH)

3

↓ + 3H

+

→ Al

3+

+ 3H

2

O

Al(OH)

3

↓ + NaOH →

Na[Al(OH)

4

]

tetrahydroksoglinan sodu

Al(OH)

3

↓ + OH

-

→ Al(OH)

4

–

anion tetrahydroksoglinu