TYPY ZWIĄZKÓW I REAKCJI CHEMICZNYCH
I. TYPY ZWIĄZKÓW CHEMICZNYCH NIEORGANICZNYCH
Najprostszymi substancjami chemicznymi są pierwiastki chemiczne, które składają się z atomów
mających jednakową ilość protonów w jądrze. Substancje chemiczne złożone z atomów różnych pierwiastków noszą nazwę związków chemicznych.
Związki chemiczne ze względu na występujące w nich charakterystyczne połączenia możemy
podzielić na: tlenki, kwasy, zasady, sole, związki kompleksowe.
1. Tlenki
Tlenkiem nazywamy połączenie tlenu na -2 stopniu utlenienia z innym pierwiastkiem.
Wśród tlenków możemy wyróżnić dwie zasadnicze grupy:
• tlenki kwasowe - tlenki niemetali np. SO3, SO2, NO2, N2O5, CO2, P2O5, Cl2O5 oraz niektóre tlenki metali np. CrO3, Mn2O7 - tworzące w połączeniu z wodą kwasy. Związki te nazywane są
również bezwodnikami kwasowymi.
• tlenki zasadowe - rozpuszczalne tlenki metali tworzące w połączeniu z wodą zasady np. Na2O,
K2O, CaO, MgO, FeO.
Ponadto istnieje grupa tlenków amfoterycznych, wykazująca zarówno cechy kwasowe jak
i zasadowe. Do grupy tej należą m.in. tlenki glinu, cynku, ołowiu, arsenu, cyny.
1.1. Otrzymywanie tlenków
1.1.1. Spalanie pierwiastka w powietrzu
Kawałek metalicznego magnezu ująć w metalowe szczypce i zapalić od płomienia palnika.
Palący się metal trzymać nad szkiełkiem zegarkowym. Zebrany na szkiełku tlenek magnezu wsypać
do probówki i pozostawić do dalszych ćwiczeń (p. 3.1.1.).
W trakcie spalania zachodzi reakcja:
2Mg + O2 = 2MgO
1.1.3. Rozkład soli
W tygielku umieścić szczyptę węglanu miedzi(II) CuCO3. Zawartość tygla powoli ogrzewać na
trójkącie ułożonym nad palnikiem. W trakcie ogrzewania niebieskozielony węglan miedzi(II) ulega
rozkładowi na czarny tlenek miedzi(II) i dwutlenek węgla:
CuCO3 = CuO + CO2↑
Otrzymany tlenek pozostawić do dalszych ćwiczeń (p. 4.1.2.).
2. Kwasy
Stosując uproszczoną teorię Arrheniusa możemy określić kwasy jako związki chemiczne
zawierające atomy wodoru zdolne do dysocjacji, w wyniku której powstają jony wodorowe H+
i charakterystyczne dla danego kwasu aniony reszty kwasowej.
W zależności od obecności w cząsteczce atomu tlenu kwasy dzieli się na beztlenowe (np. HCl -
kwas chlorowodorowy, H2S - kwas siarkowodorowy, HCN - kwas cyjanowodorowy) i tlenowe
(H2SO4 - kwas siarkowy(VI), HNO3 - kwas azotowy(V), H3PO4 - kwas ortofosforowy(V)).
3. Zasady
Analogiczne do definicji kwasów podanej powyżej możemy zdefiniować zasady jako związki
chemiczne, które w roztworze wodnym dysocjują z utworzeniem jonów wodorotlenowych
(hydroksylowych) OH–.
1
3.1.1. Połączenie tlenku zasadowego z wodą
Papierek wskaźnikowy zwilżyć wodą i nasypać na jego powierzchnię niewielką ilość tlenku magnezu otrzymanego w ćwiczeniu 1.1.1. Zaobserwować zmianę zabarwienia papierka
wskaźnikowego. Zachodzi reakcja:
MgO + H2O = Mg(OH)2
3.1.2. Działanie ługów na sole
Do probówki wprowadzić kilka cm3 2 molowego roztworu Mg(NO3)2 a następnie dodać kilka cm3 2 molowego roztworu NaOH. Zaobserwować zachodzącą reakcję powstawania osadu
wodorotlenku:
Mg2+ + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + 2Na+
Osad zachować do dalszych ćwiczeń (p. 4.1.1.).
4. Sole
Sole to związki zbudowane z kationu zasady (jon metalu, jon amonowy lub złożony jon
kompleksowy) i anionu reszty kwasowej kwasu tlenowego lub beztlenowego. W roztworach
wodnych sole ulegają dysocjacji elektrolitycznej.
4.1. Otrzymywanie soli obojętnych
4.1.1. Działanie kwasu na zasadę (reakcja zobojętniania)
Osad wodorotlenku uzyskany w poprzednim ćwiczeniu podzielić na 3 części i umieścić
w 3 probówkach. Do każdej probówki dodawać kroplami jeden z kwasów (chlorowodorowy,
siarkowy(VI), azotowy(V)) aż do roztworzenia osadu. Zachodzą reakcje:
Mg(OH)2 + 2HCl = MgCl2 + 2H2O
Mg(OH)2 + H2SO4 = MgSO4 + 2H2O
Mg(OH)2 + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + 2H2O
4.1.2. Działanie kwasu na tlenek zasadowy
Szczyptę tlenku miedzi(II) otrzymanego w ćwiczeniu 1.1.3. przesypać do probówki i wlać ok. 2 cm3 2 molowego kwasu chlorowodorowego. Zaobserwować powstawanie niebieskiego
zabarwienia roztworu:
CuO + 2HCl = CuCl2 + H2O
4.1.3. Działanie zasady na bezwodnik kwasowy
Do zlewki wlać ok. 10 cm3 klarownego roztwór wody wapiennej i wdmuchiwać przez rurkę powietrze z płuc. Zaobserwować zmętnienie roztworu spowodowane wytworzeniem trudno
rozpuszczalnego węglanu wapnia:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
4.2. Wodorosole i hydroksysole
Oprócz soli obojętnych istnieją również wodorosole (sole kwaśne), zawierające w anionach kwasowe atomy wodoru (np. NaHCO3, Ca(H2PO4)2, KHSO4) i hydroksosole (sole zasadowe) zawierające w kationach grupę hydroksylową (jon wodorotlenowy OH-) (np. MgOHCl,
(ZnOH)2SO4, [Al(OH)2]3PO4.
4.3. Woda krystalizacyjna w solach
W tygielku umieścić szczyptę pięciowodnego siarczanu(VI) miedzi(II) CuSO4×5H2O. Zawartość
tygla powoli ogrzewać na siatce azbestowej ułożonej nad palnikiem. W trakcie ogrzewania zaobserwować zmianę zabarwienia soli związaną z utratą wody krystalizacyjnej.
2
5. Związki kompleksowe
5.1. Otrzymywanie związków kompleksowych
5.1.1. Kompleksy metali z obojętnymi cząsteczkami
W probówce umieścić ok. 1 cm3 roztworu azotanu(V) miedzi(II) i dodawać porcjami 0,5
molowy roztwór wodorotlenku sodu do wytrącenia osadu:
Cu(NO3)2 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaNO3
Następnie do probówki z osadem dodawać kroplami 2 molowy roztwór amoniaku aż do
roztworzenia:
Cu(OH)2 + 4NH4OH = [Cu(NH3)4](OH)2 + 4H2O
Ciemnoniebieskie zabarwienie roztworu świadczy o obecności jonu kompleksowego [Cu(NH3)4]2+.
Oprócz kompleksów metali z obojętnymi cząsteczkami istnieją kompleksy z jonami
nieorganicznymi (chlorkami, jodkami, cyjankami), np. jon [BiI4]–, oraz kompleksy ze związkami organicznymi,
np.kompleks
Mg2+
z
kwasem
etylenodiaminotetraoctowym
(EDTA)
Mg[C10H12N2O8]2-.
II. TYPY REAKCJI CHEMICZNYCH
Reakcją chemiczną nazywamy proces, w wyniku którego jedna lub kilka substancji ulegają przemianie tworząc nową substancję (nowe substancje) na skutek zerwania jednych i wytworzenia
innych wiązań pomiędzy atomami w reagujących cząsteczkach. Substancje wchodzące w reakcję chemiczną nazywane są substratami natomiast substancje powstające w wyniku reakcji produktami
reakcji chemicznej.
Reakcje chemiczne można sklasyfikować na różne sposoby w zależności od przyjętych
kryteriów.
• Biorąc po uwagę charakter przemian jakim ulegają reagujące substraty możemy wyróżnić reakcje syntezy, rozkładu (analizy) oraz reakcje wymiany.
• Rozważając efekt energetyczny towarzyszący przemianie chemicznej możemy podzielić reakcje
na egzotermiczne i endotermiczne.
• Stan fazowy substratów i produktów reakcji jest podstawą podziału na reakcje homogeniczne
(jednorodne) i heterogeniczne (niejednorodne).
• Procesy chemiczne w trakcie których następuje przeniesienie elektronów między reagującymi
cząsteczkami (zmiana stopnia utlenienia pierwiastków) tworzą grupę reakcji utleniająco-
redukcyjnych.
• Biorąc pod uwagę odwracalność reakcji możemy wyróżnić reakcje odwracalne (równowagowe)
i nieodwracalne (nierównowagowe).
Każda
z
reakcji
może
zostać
określona
różnymi
przymiotnikami
wynikającymi
z zakwalifikowania jej do danej grupy reakcji chemicznych.
1. Przykłady typów reakcji chemicznych
1.1. Reakcje syntezy
Reakcje syntezy polegają na połączeniu się substancji prostszych (substratów) w substancję bardziej złożoną (produkt).
3
1.1.1. Synteza siarczku cynku, demonstruje prowadzący
W parowniczce umieścić 1 porcję (łyżeczkę) pyłu cynkowego i 2 porcje (łyżeczki) siarki.
Substancje dokładnie ze sobą wymieszać po czym z mieszaniny uformować kopczyk na płytce metalowej umieszczonej pod wyciągiem. Reakcję syntezy zainicjować poprzez dotknięcie
mieszaniny rozgrzanym do czerwoności drutem żelaznym. Reakcję przeprowadzić pod kontrolą prowadzącego ćwiczenia. Wytworzony w wyniku reakcji siarczek cynku:
Zn + S = ZnS
przenieść do probówki i zachować do dalszych ćwiczeń (ćwiczenie 1.3.2.). Przeprowadzona reakcja
jest nie tylko reakcją syntezy. Jest to zarazem reakcja redoks (następuje zmiana stopnia utlenienia cynku z 0 na +2 oraz siarki z 0 na -2) a także reakcja egzotermiczna (zachodząca z wydzieleniem
ciepła) i heterogeniczna (przebiegająca na granicy faz).
1.1.2. Otrzymywanie chlorku amonu, demonstruje prowadzący
Pod wyciągiem umieścić dwa niewielkie naczyńka przykryte jedną dużą zlewką. Do jednego z naczyniek wprowadzić kilka kropli stężonego kwasu chlorowodorowego a do drugiego kilka kropli stężonego roztworu amoniaku. Zachodząca reakcja:
HCl + NH3 = NH4Cl
objawia się wydzielaniem białego dymu i osadzaniem się białych kryształków stałego chlorku amonu.
1.2. Reakcje rozkładu (analizy)
Podczas reakcji analizy ma miejsce rozkład substancji złożonych (substratów) na substancje proste (produkty).
AB = A + B
1.2.1. Rozkład azotanu ołowiu, demonstruje prowadzący
Poniższe ćwiczenie wykonać po wyciągiem. Szczyptę azotanu(V) ołowiu(II) ogrzewać w suchej
probówce umieszczonej w płomieniu palnika aż do stopienia soli. W trakcie reakcji rozkładu zachodzącej wg równania:
Pb(NO3)2 = PbO + 2NO2↑ + 1/2O2↑
zaobserwować wydzielanie brunatnego tlenku azotu NO2 oraz zmianę zabarwienia wynikającą
z przejścia białego azotanu(V) ołowiu(II) w żółty tlenek ołowiu(II).
Reakcja rozkładu azotanu(V)ołowiu jest reakcją endotermiczną i należy go grupy reakcji redoks.
1.2.2. Rozkład dichromianu amonu (“wulkan”), demonstruje prowadzący
Na metalowej płytce umieszczonej pod wyciągiem uformować kopczyk z niewielkiej porcji
dichromianu(VI) amonu. Reakcję rozkładu zainicjować przez dotknięcie kopczyka rozżarzonym drutem. W wyniku reakcji pomarańczowy (NH4)2Cr2O7 zmienia barwę przechodząc w szarozielony
tlenek chromu(III) Cr2O3:
(NH4)2Cr2O7 = Cr2O3 + N2↑ + 4H2O
W powyższej reakcji następuje zmiana stopni utlenienia pierwiastków - jest więc to reakcja redoks. Z uwagi na wydzielające się w trakcie reakcji ciepło reakcja ta jest zarazem przykładem reakcji egzotermicznych.
1.3. Reakcje wymiany
Substancje biorące udział w reakcji wymiany (substraty) wymieniają między sobą atomy lub grupy atomów tworząc w ten sposób produkty reakcji.
A + BC = AC + B (wymiana pojedyncza)
4
AB + CD = AC + BD (wymiana podwójna)
1.3.1. Reakcja cynku z kwasem chlorowodorowym
W probówce umieścić granulkę cynku a następnie dodać 2 molowy kwas chlorowodorowy.
Zawartość probówki ogrzać. Roztwarzaniu cynku towarzyszy wydzielanie pęcherzyków wodoru
wg równania:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑
Obserwowana reakcja jest egzotermiczną reakcja wymiany pojedynczej, zachodzącą na granicy faz
(heterogeniczną), ze zmianą stopni utlenienia pierwiastków (reakcja redoks).
1.3.2. Reakcja roztwarzania siarczku cynku w kwasie chlorowodorowym
Do probówki z otrzymanym w wyniku syntezy siarczkiem cynku ZnS (ćwiczenie 1.1.1.) dodać
2 molowy roztwór HCl. Zawartość probówki ogrzać do roztworzenia siarczku cynku. Wyczuwalny,
charakterystyczny zapach siarkowodoru jest świadectwem zachodzącej reakcji:
ZnS + 2HCl = ZnCl2 + H2S↑
1.4. Reakcje egzotermiczne
Reakcje egzotermiczne to reakcje przebiegające z wydzieleniem ciepła. Niektóre reakcje
egzotermicznych wymagają wprawdzie dostarczenia pewnej porcji energii w celu zainicjowania biegu reakcji lecz po rozpoczęciu reakcji proces przebiega już samoczynnie dając jako jeden z produktów energię cieplną. Przykładem tego typu reakcji jest opisana w ćwiczeniu 1.1.1. reakcja syntezy siarczku cynku:
Zn + S = ZnS + Q
Q = 189 kJ/mol
Reakcją egzotermiczną jest też każda reakcja spalania węgla (drewna) zachodząca według
równania:
C + O2 = CO2 + Q
Q = 394 kJ/mol
1.5. Reakcje endotermiczne
Podczas reakcje endotermicznych ciepło pobierane jest z otoczenia.
Przykładem reakcji endotermicznych jest przeprowadzona w ćwiczeniu 1.2.1. reakcja rozkładu azotanu(V)amonu:
Pb(NO3)2 + Q = PbO + 2NO2 + 1/2O2
Q = 299 kJ/mol
1.6. Reakcje homogeniczne
Reakcje homogeniczne to reakcje, które zachodzą w jednej fazie. Wszystkie substraty
i wszystkie produkty reakcji znajdują się w tej samej fazie.
Przykładem reakcji homogenicznej jest reakcja zobojętniania:
NaOH (aq) + HCl (aq) = NaCl (aq) + H2O (aq)
lub reakcja w fazie gazowej:
2CO (g) + O2 (g) = 2CO2 (g)
1.7. Reakcje heterogeniczne
Reakcje heterogeniczne to reakcje zachodzące na granicy faz. Mogą to być reakcje, w których substraty znajdują się w różnych fazach, powstający produkt reakcji jest w innej fazie lub wszystkie związki biorące udział w reakcji są w fazie stałej.
Przykładami reakcji heterogenicznych są przedstawione w ćwiczeniach 1.3.1 reakcja:
Zn (s) + 2HCl (aq) = ZnCl2 (aq) + H2 (g)
a także reakcja, w której następuje wytrącenie z roztworu jednego z produktów:
AgNO3 (aq) + NaCl (aq) = AgCl (s) + NaNO3 (aq)
5
1.8. Reakcje oksydacyjno-redukcyjne (reakcje redoks)
Reakcje oksydacyjno-redukcyjne to te przemiany chemiczne, w trakcie których następuje
wymiana elektronów pomiędzy reagującymi substancjami, w wyniku której zmieniają się stopnie utlenienia pierwiastków.
1.8.1. Wypieranie metali z roztworów ich soli przez metale o niższym potencjale standardowym
Do dwóch probówek wprowadzić po ok. 2 mililitry roztworów soli podanych metali
(0,1 molowy Bi(NO3)2, 0,5 molowy SnCl2), a następnie dodać granulkę cynku. Obserwować
zachodzące reakcje:
2Bi3+ + 3Zn = 2Bi + 3Zn2+
Sn2+ + Zn = Sn + Zn2+
Dodane do roztworu kawałki cynku pokrywają się warstwą (kryształkami) metalu, którego jony obecne były w roztworze. Reakcje te można też zaliczyć do pojedynczej wymiany.
1.8.2. Roztwarzanie miedzi w kwasach
Do probówki dodać 1 ml 2 molowego kwasu azotowego(V) i umieścić wiórek miedziany.
Roztwór ogrzać. Zachodzi reakcja:
3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + H2O
Wydzielają się pęcherzyki NO, a roztwór zabarwia się na niebiesko od jonów Cu2+.
Miedź należy do metali szlachetnych (o potencjale dodatnim) i roztwarza się tylko w kwasach utleniających, a nie reaguje z kwasami nieutleniającymi, np. z kwasem chlorowodorowym.
Cu + HCl - brak reakcji
Metale o potencjale ujemnym, jak np. cynk reagują również z kwasami beztlenowymi (patrz ćwiczenie 1.3.1.).
1.8.3. Redukcja jonu srebrowego formaldehydem (lustro srebrowe)
Do probówki wprowadzić parę kropli 0,5 molowego roztworu azotanu(V) srebra a następnie dodawać kroplami 2 molowy roztwór amoniaku aż do całkowitego roztworzenia wytrącającego się
osadu Ag2O:
2Ag+ + 2OH– = Ag2O↓ + H2O
Ag2O + 4NH4OH = 2[Ag(NH3)2]OH + 3H2O
Do tak przygotowanego roztworu dodać kilkanaście kropli 10% roztworu formaldehydu HCHO.
Zawartość probówki ogrzewać przez kilka minut obserwując wydzielanie się metalicznego srebra na ściankach probówki:
2[Ag(NH3)2]OH + HCHO = 2Ag↓ + HCOONH4 + NH3↑ + H2O
6