stechiometria - dr Henryk Myszka

STECHIOMETRIA
WZÓR CHEMICZNY
• podaje rodzaj i liczbę atomów - skład jakościowy,
• pozwala obliczyć bezwzględną masę pojedynczej cząsteczki,
• informuje o składzie wagowym substancji,
→ wzór empiryczny,
→ wzór rzeczywisty,
Mrzecz. = n · Memp.
C2H2
C2H2
gdzie
C2H2
C6H6 czyli 3 x (C2H2)
n = 1, 2, 3, ...
HCHO
C6H12O6 czyli 6 x (CH2O)
⇔
NH4CNO → NH4+ + CNO–
H4N2CO
H4N2CO
⇔
(NH2)2CO
H2SO4
⇔
SO2(OH)2
Względna masa cząsteczkowa to liczba określająca ile razy masa
danej cząsteczki jest większa od 1/12 masy atomu węgla 12C
1 u = 1 j.m.a. = 1 dalton = 1/12 masy atomu 12C = 1,6605 · 10-24 g
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
jednostka liczności cząstek materii to mol
inne jednostki liczności to, np. tuzin (12 sztuk)
mendel (15 sztuk)
a np. zgrzewka ???
kopa (60 sztuk)
Rysunki i pomysł zaczerpnięte ze strony:
http://www.chem.univ.gda.pl/~tomek/mol.htm
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Mol - to liczność cząstek materii (atomów, cząsteczek, jonów itp.)
równa liczbie atomów zawartych w 0,012 kg izotopu węgla 12C
bezwzględna masa atomu węgla 12C wynosi: 1,9926 · 10-23 g
liczba atomów 12C znajdująca się w 12 g węgla 12C wynosi:
NA =
12,000000 g
= 6,02228 ⋅ 10 23
- 23
1,9926 ⋅ 10 g
Liczba Avogadro jest równa liczbie atomów zawartych w
0,012 kg węgla 12C i wynosi w przybliżeniu 6,022 · 1023
Masa molowa to masa jednego mola cząstek
materii (atomów, cząsteczek, jonów itp.)
liczba moli : n =
m
M
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Prawo równoważników Richtera
→ J.B. Richter (1803 r.)
Stosunek mas reagujących ze sobą substancji (pierwiastków
lub związków chemicznych) jest równy stosunkowi ich
równoważników chemicznych.
m1 : m2 = R1 : R2
C + O2 = CO2
3 : 8
2 H2 + O2 = 2 H2O
1 : 8
C + 2 H2 = CH4
3 : 1
hist. Równoważnik chemiczny - liczba jednostek wagowych substancji,
która łączy się lub zastępuje 1 jednostkę
wagową wodoru lub 8 jednostek
wagowych tlenu.
Równoważnik chemiczny - to liczba jednostek wagowych substancji
(pierwiastka lub związku chemicznego),
która przyłącza, odszczepia lub wypiera
ze związku 3 jednostki wagowe węgla 12C.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Wartościowość formalna pierwiastka - to liczba atomów wodoru
przyłączanych lub zastępowanych podczas reakcji chemicznej.
W przypadku pierwiastków, które nie tworzą połączeń z wodorem,
wartościowości te mogą być określane na podstawie liczby przyłączanych
atomów tlenu, gdyż każdy atom tlenu pod względem wartościowości
zastępuje dwa atomy wodoru.
W obliczeniach chemicznych wartościowość formalną wodoru
przyjmuje się za równą 1, a tlenu za równą 2.
Liczba możliwych wartości równoważnika chemicznego jest równa
liczbie możliwych wartościowości, jakie dany pierwiastek może
wykazywać w różnych związkach.
Wartość równoważnika chemicznego pierwiastka oblicza się,
dzieląc masę atomową przez wartościowość.
R=
M
w
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Pojęcie równoważnika chemicznego odnosi się
także do związków chemicznych.
Wartościowość
HCl +
H3PO4
H3PO4
H3PO4
⇒ kwasów
⇒ zasad
⇒ soli
NaOH → NaCl + H2O
+ NaOH → NaH2PO4 + H2O
+ 2 NaOH → Na2HPO4 + 2 H2O
+ 3 NaOH → Na3PO4 + 3 H2O
2 HCl + Ba(OH)2 → BaCl2 + 2 H2O
H2SO4 + Ba(OH)2 → BaSO4 ↓ + 2 H2O
2 H3PO4 + 3 Ba(OH)2 → Ba3(PO4)2 ↓ + 6 H2O
Stosowanie pojęcia równoważnika chemicznego upraszcza
w sposób istotny obliczenia chemiczne.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
wal
Wal - to część mola danej substancji chemicznej, która przyłącza,
odszczepia lub wypiera 1 mol atomów wodoru (lub 1/2 mola
atomów tlenu, 1/4 mola atomów węgla, 1 mol elektronów).
Masa 1 wala to gramorównoważnik (gR) [g/wal]
Gramorównoważnik - to liczba gramów substancji (pierwiastka
lub związku chemicznego), która przyłącza, odszczepia lub wypiera
ze związku 3 gramy węgla 12C.
• liczbowo jest równy równoważnikowi chemicznemu,
z tym że wyrażony jest w gramach;
• gramorównoważnik można zdefiniować też jako liczbę gramów
substancji liczbowo równą równoważnikowi chemicznemu;
• pomiędzy równoważnikiem a gramorównoważnikiem istnieje taka
sama relacja jak pomiędzy względną masą atomową (cząsteczkową)
a masą molową;
gR =
M
w
liczba wali : n w =
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
m
gR
REAKCJE CHEMICZNE
♦ reakcje syntezy, czyli łączenia
♦ reakcje analizy, czyli rozkładu
♦ reakcje wymiany: a) wymiany prostej (pojedynczej)
b) wymiany złożonej (podwójnej)
♦
♦
reakcje egzotermiczne
reakcje endotermiczne
♦
reakcje przebiegające bez wymiany elektronów pomiędzy
reagującymi substancjami (bez zmiany wartościowości
atomów lub jonów);
♦
reakcje, w których zachodzi wymiana elektronów między
partnerami, nazywane reakcjami utleniania i redukcji,
reakcjami oksydacyjno-redukcyjnymi lub w skrócie
reakcjami redoks;
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
PODSTAWOWE POJĘCIA
Utlenianie - proces, który sprowadza się do oddawania elektronów
przez atom, obojętną cząsteczkę lub jon.
Redukcja - proces polegający na pobieraniu elektronów
przez atom, obojętną cząsteczkę lub jon.
Utleniacz - substancja pobierającą elektrony.
Reduktor - substancja oddająca elektrony.
Stopień utlenienia pierwiastka - liczba dodatnich lub ujemnych
ładunków elementarnych, jakie
należałoby przypisać atomom
pierwiastka, gdyby substancja
miała budowę jonową.
Utleniacz - substancja, która zmniejsza swój stopień utlenienia.
Reduktor - substancja, która zwiększa swój stopień utlenienia.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
OKREŚLANIE STOPNI UTLENIENIA
„Obliczenia z chemii ogólnej” str. 85-89
♦
Pierwiastkom w stanie wolnym przypisuje się stopień utlenienia równy zeru,
niezależnie od tego, czy występują w postaci atomów czy cząsteczek,
np.: Ca0, H20, Cl20, P40.
♦
Stopień utlenienia wodoru w większości związków chemicznych jest równy I,
wyjątek stanowią wodorki metali, np. NaH, CaH2, w których stopień
utlenienia wodoru wynosi -I.
♦
Litowce i berylowce mają stały stopień utlenienia w związkach chemicznych,
równy odpowiednio I i II.
♦
Fluor, jako pierwiastek najbardziej elektroujemny, ma zawsze stopień
utlenienia -I.
♦
Stopień utlenienia tlenu w większości związków chemicznych wynosi -II,
wyjątek stanowią nadtlenki, np. H2O2, BaO2, w których stopień utlenienia
tlenu jest równy -I; ponadtlenki, np. KO2, - stopień utlenienia tlenu jest
równy: (- 1/2) oraz fluorki tlenu (O2F2 i OF2), w których stopień utlenienia
tlenu wynosi odpowiednio I i II.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Stopień utlenienia innych pierwiastków
można obliczyć pamiętając, że:
♦
suma stopni utlenienia wszystkich pierwiastków wchodzących
w skład związku chemicznego jest równa zeru,
♦
stopień utlenienia jonów prostych, jak na przykład Na+, Cl-, Ba2+, S2-,
jest równy ładunkowi jonu, a więc odpowiednio I, -I, II, -II,
♦
stopień utlenienia pierwiastka w anionie lub kationie złożonym oblicza się
w taki sposób, aby suma stopni utlenienia atomów w jonie była równa
ładunkowi tego jonu.
Równanie chemiczne jest zbilansowane gdy spełnia 3 podstawowe warunki:
1) określa substraty i produkty reakcji chemicznej,
2) jest zgodne z prawem zachowania masy,
3) równanie jest zgodne z zasadą zachowana ładunku elektrycznego.
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Podział reakcji utleniania i redukcji
reakcje utleniania i redukcji międzyatomowej lub międzycząsteczkowej
K2Cr2O7 + 6 KBr + 7 H2SO4 → Cr2(SO4)3 + 3 Br2 + 4 K2SO4 + 7 H2O
2 MnO4– + 5 NO2– + 6 H+ → 2 Mn2+ + 5 NO3– + 3 H2O
reakcje utlenienia i redukcji wewnątrzcząsteczkowej
2 KClO3 → 3 O2 + 2 KCl
2 Pb(NO3)2 → 2 PbO + 4 NO2 + O2
reakcje dysproporcjonacji - wymiana elektronów następuje między dwoma
jednakowymi atomami, cząsteczkami lub jonami
2 H2O2 → 2 H2O + O2
2 NO2 + H2O → HNO3 + HNO2
3 I2 + 6 KOH → KIO3 + 5 KI + 3 H2O
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Wpływ środowiska na przebieg reakcji redoks
+7
2 MnO4 + 5
–
b. fioletowa
SO32 –
+ 6 H3
O+
+2
→ 2 Mn2+ + 5 SO42 – + 9 H2O
roztwór
bezbarwny
2 KMnO4 + 5 Na2SO3 + 3 H2SO4 → 2 MnSO4 + 5 Na2SO4 + K2SO4 + 3 H2O
+7
2 MnO4 + 3
–
b. fioletowa
SO32 –
+4
+ H2O → 2 MnO2 + 3 SO42 – + 2 OH –
brunatny
osad
2 KMnO4 + 3 Na2SO3 + H2O → 2 MnO2 + 3 Na2SO4 + 2 KOH
+7
2 MnO4 +
b. fioletowa
–
SO32 –
+ 2
OH–
+6
→ 2 MnO42– + SO42 – + H2O
roztwór
zielony
2 KMnO4 + Na2SO3 + 2 KOH → 2 K2MnO4 + Na2SO4 + H2O
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
Gramorównoważnik chemiczny w reakcjach utleniania i redukcji
1 wal utleniacza - to część mola utleniacza, która w reakcji redoks
przyłącza jeden mol elektronów,
(tj. liczbę elektronów równą liczbie Avogadra);
1 wal reduktora - to część mola reduktora, która w reakcji redoks
oddaje jeden mol elektronów;
♦
masa 1 wala substancji nazywa się gramorównoważnikiem gR;
♦
aby obliczyć gramorównoważnik utleniacza (reduktora), należy masę
molową utleniacza (reduktora) podzielić przez liczbę moli pobranych
(oddanych) elektronów;
♦
liczbę wali nw oblicza się, dzieląc masę substancji
przez jej gramorównoważnik;
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii