Atom, cząsteczka, reakcje chemiczne

Przemiany/Reakcje
chemiczne
Przemiany/Reakcje chemiczne





Reakcje chemiczne są to takie przemiany,
w wyniku których z jednych substancji powstają inne
substancje, o zupełnie odmiennych właściwościach
fizycznych i chemicznych.
Substancje wchodzące w reakcje chemiczne noszą
nazwę substratów.
Substancje, które powstają w czasie reakcji
chemicznych noszą nazwę produktów.
Równanie reakcji chemicznej - zapis przebiegu
procesu chemicznego za pomocą symboli
pierwiastków chemicznych i wzorów związków
chemicznych.
Równanie reakcji chemicznej jest bardzo podobne
do zwykłego równania matematycznego.
REAKCJA CHEMICZNA
Proces, w którym z cząsteczek, atomów lub jonów substancji
wyjściowych (substratów) powstają cząsteczki, atomy lub
jony produktów.
A+ B = C+D
substraty
produkty
Typy reakcji chemicznych
1. Kierunek przemiany (syntezy, rozkładu,wymiany)
2. Efekt energetyczny ( egzo- oraz endotermiczne)
3. Liczba faz układu (homo- oraz heterogeniczne)
4. Przeniesienie elektronów (oksydacyjno-redukcyjne)
5. Charakter indywiduów chem. (jonowe, cząsteczkowe, rodnikowe)
6. Stan rownowagi (odwracalne oraz nieodwracalne)
7. Inne
Przemiany chemiczne rozpatruje się w dwóch aspektach:
statycznym i kinetycznym
Aspekt statyczny czyli zapis przemiany chemicznej w postaci równania z
uwzględnieniem zależności molowych wynikających z podstawowych praw chemii,
czyli prawa stałości składu i zachowania masy.
Interpretacja kinetyczna dotyczy zagadnień związanych z przebiegiem reakcji,
czyli jej szybkością, stanem równowagi reakcji i możliwością wpływania na
przesunięcie równowagi reakcji.
Równowaga statyczna to stan, w którym procesy chemiczne nie zachodzą, a
stężenia reagentów nie zmieniają się w czasie.
Równowaga dynamiczna to stan, w którym zachodzą przemiany chemiczne,
jednak tyle samo substratów przechodzi w produkty, co produktów w substraty.
W stanie równowagi dynamicznej szybkość reakcji danej oraz reakcji do niej
przeciwnej są sobie równe, a stężenia reagentów ustalają się wówczas na stałym
poziomie.
Reakcje odwracalne i nieodwracalne
Teoretycznie prawie każda reakcja jest odwracalna jeśli zachodzi w odpowiednich
warunkach.
Reakcje w układach otwartych, w których jeden z produktów opuszcza
środowisko reakcji są praktycznie nieodwracalne. Za reakcje nieodwracalne
uważa się takie, w których co najmniej 99% substratów ulega przemianie.
To, że reakcja jest nieodwracalna można przewidzieć za pomocą jej objawów,
mianowicie:
powstaje nierozpuszczalny produkt (wytrącenie osadu)
wydziela się gaz
powstaje słabo zdysocjowany produkt np. woda w reakcji zobojętniania
Reakcje odwracalne - powstałe w reakcji produkty reagują z sobą odtwarzając
substraty (reakcja odwrotna)
W tego typu równaniach reakcji stosuje się strzałki dwustronne lub dwie strzałki o
przeciwnych kierunkach.
Reakcję biegnącą w prawo nazywa się prostą, zaś w lewo odwrotną.
Ta sama reakcja, w zależności od warunków jej prowadzenia może przebiegać
w sposób odwracalny lub praktycznie nieodwracalny.
W zwykłych warunkach iskra elektryczna inicjuje w mieszaninie wodoru i tlenu
reakcję wybuchową syntezy wody: 2H 2  O2  2H 2O
W temperaturze ok. 4000oC zachodzi reakcja odwrotna: 2H 2O  2H 2  O2
Przykłady reakcji praktycznie nieodwracalnych
Reakcje jonowe przebiegające z wytrąceniem bardzo trudno rozpuszczalnego
osadu np.;
Ag   Cl  AgCl 
Niektóre reakcje syntezy:
2Mg  O2  2MgO
Reakcje w których produktem jest gaz opuszczający środowisko reakcji:
CaCO3  2HCl  CaCl2  H 2O  CO2 
Reakcje przebiegające z wytworzeniem produktu trudno dysocjującego:
H 2SO4  2NaOH  Na 2SO4  2H 2O
Ogólny zapis równania
reakcji chemicznej
Najczęściej substraty zapisujemy po lewej, a
produkty po prawej stronie równania. Jeśli
produkty reagują ze sobą, tworząc z powrotem
substraty, to mówimy że reakcja jest
odwracalna. Substraty i produkty to reagenty.
Zasady pisania reakcji chemicznych
Lewa strona równania reakcji musi się
równać stronie prawej
- pod względem liczby poszczególnych pierwiastków
-pod względem wypadkowego ładunku elektrycznego
Fe+3 + 3OH- = Fe(OH)3
Ładunek elektryczny strony lewej: +3 + (-3) = 0
Ładunek elektryczny strony prawej: 0 = 0
Ładunek elektryczny strony lewej = ładunkowi strony prawej 0=0
Strona lewa
Fe = 1
O =3
H =3
strona prawa
Fe = 1
O=3
H=3
L=P
W czasie reakcji spalania magnezu (rys.1), z dwóch substancji :
 tlenu, który jest bezbarwnym gazem i występuje w postaci
cząsteczek dwuatomowych,
 magnezu, który jest metalem, barwy srebrzystoszarej,
o stałym stanie skupienia i występuje w postaci atomowej,
powstaje tlenek magnezu –
ciało stałe, barwy białej,
zupełnie nie przypominające
substancji wziętych do
reakcji chemicznej.
O2
Mg
MgO
Rys. 1 Spalanie magnezu
Typy reakcji chemicznych:
1.Reakcja syntezy
jest reakcją, w której z dwu lub kilku substancji prostszych powstaje
jedna substancja bardziej złożona według schematu:
Słowny opis przebiegu reakcji:
•
azot
+
wodór
amoniak
Modelowe przedstawienie przemiany
•
H
HHH
N
N
H
N
H
+
HH H
H
H H
H
H
H
H
H
N
H
Równanie reakcji chemicznej
•
N2
+
3H2
2 NH3
2. Reakcja analizy
jest przemianą, w której z jednej substancji złożonej powstaje dwie
lub kilka substancji prostszych. Analiza jest odwrotnością reakcji
syntezy.
• Słowny opis przebiegu reakcji:
tlenek magnezu
magnez + tlen
• Modelowe przedstawienie reakcji:
Mg
O
Mg
+
Mg
O
O
Mg
• Równanie reakcji chemicznej
2 MgO
2 Mg
+
O2
O
3. Reakcja wymiany
jest najczęściej spotykanym typem reakcji. W procesie tym
następuje wymiana składników pomiędzy substancjami
reagującymi.
Wyróżnia się reakcje wymiany:
• pojedynczej,
Wymiana pojedyncza
• podwójnej .
Wymiana podwójna
A + BC
Kierunek
reakcji
AC + B
Zn + 2HCl
--->
ZnCl2 + H2
2K + 2H2O
--->
2KOH + H2
AB + CD
Kierunek
reakcji
AC + BD
MgSO4 + Na2CO3
--->
MgCO3 + Na2SO4
H2SO4 + Ca(OH)2
--->
CaSO4 + 2H2O
Modelowe przedstawienie przebiegu reakcji wymiany
pojedynczej
Mg
+
H
Cl
Cl
Mg
H
Cl
Cl
+
H
H
Słowny zapis reakcji wymiany pojedynczej:
magnez + chlorowodór
chlorek magnezu + wodór
Równanie chemiczne
Mg + 2HCl
MgCl2 + H 2
Modelowe przedstawienie przebiegu reakcji wymiany
podwójnej
Mg
O
H
H
O
H
H
Cl
+
Cl
M
g
H
Cl
Cl
O
H
O
H
+
H
H
Słowny zapis reakcji wymiany podwójnej:
wodorotlenek magnezu + chlorowodór
chlorek magnezu + woda
Równanie chemiczne
Mg(OH)2 + 2HCl
MgCl2 + 2 H2O
REAKCJE UTLENIANIA I REDUKCJI
Szczególnym przypadkiem reakcji wymiany są reakcje utleniania
i redukcji.
Reakcja tlenku miedzi (II) z wodorem przebiega zgodnie ze schematem:
W reakcji (schemat 1) wodór „odebrał” tlen z tlenku miedzi
(II) i połączył się z nim tworząc tlenek wodoru, czyli wodę.
Taka reakcja nosi nazwę reakcji utleniania- redukcji.
Utlenianie to przyłączanie tlenu do pierwiastka chemicznego (wodór
się utlenił).
Proces odwrotny to redukcja, czyli odłączanie tlenu.
Tlen został odłączony od miedzi, czyli miedź uległa redukcji.
Schemat 1
Inne przykłady reakcji utleniania- redukcji
Schemat 2
Podział reakcji chemicznych ze względu
na zachowanie wobec tlenu
Utlenianie
reduktor nie zawiera
tlenu i może go przyjąć
Redukcja
utleniacz ma tlen
i może go oddać
Reakcje syntezy, analizy
i wymiany – krótkie podsumowanie
Syntezy (łączenia)
Wymiany pojedynczej
A+B
AB + C
na przykład
2 substraty
AB
2 Mg + O2
1 produkt
2 MgO
A + BC
Mg + H2O
MgO + H2
2 substraty
2 produkty
Analizy (rozkładu)
Wymiany podwójnej
AB
AB + CD
2 Ag2O
1 substrat
A+B
4 Ag + O2
2 produkty
2 NaOH + CusO4
2 substraty
AD + BC
Na2SO4 + Cu(OH)2
2 produkty
W czasie reakcji chemicznych obserwujemy;
powstawanie
nowych cząstek
(atomów, jonów lub
cząsteczek) o innej
strukturze niż
cząstki wyjściowe,
przemianę jednych
substancji w inne,
o nowych
właściwościach,
przebudowę
wiązań
chemicznych,
efekty cieplne związane
ze zmianą stanu
energetycznego
Cechy reakcji chemicznych




Prawo zachowania masy
Przebieg w określonych stosunkach
ilościowych i prawo stałości składu
Określony efekt energetyczny
Określona szybkość
A. Prawo zachowania masy
W układzie zamkniętym masa substratów wchodzących w reakcję
chemiczną równa jest masie jej produktów, czyli masa substancji
biorących udział w reakcji chemicznej nie zmienia się.
Jeżeli masy substratów A i B oznaczymy jako mA i mB, zaś masy produktów C i D
jako mC i mD, to zachodzi równość:
A B C  D
mA  mB  mC  mD
Z prawem zachowania masy wiąże się konieczność bilansowania równań reakcji
chemicznych, czyli dobierania współczynników stechiometrycznych w taki sposób,
aby liczba (ilość moli) atomów danego pierwiastka po obu stronach równania była
taka sama.
W świetle prawa równoważności masy i energii (E = mc2) prawo zachowania masy
nie jest ściśle spełnione. Jednakże podczas reakcji chemicznych wymieniane ilości
energii są na tyle małe, że zmiana masy układu nie jest wykrywalna standardowymi
metodami, stąd przyjmuje się stałość masy układu reakcyjnego.
B1. Stosunek ilościowy reagentów


Substancje reagują ze sobą w ściśle
określonym stosunku ilościowym zwanym
stosunkiem stechiometrycznym
Zasada stechiometrii: w reakcji chemicznej
ilość jednego reagenta określa ilości
wszytskich pozostałych reagentów
B2. Prawo stałości składu (prawo stałych stosunków wagowych)
Stosunek ilości wagowych (mas) pierwiastków wchodzących w skład
danego związku chemicznego jest zawsze stały i charakterystyczny
dla tego związku.
Wynika z niego że:
- każdy związek chemiczny ma ściśle określony i zawsze stały skład
chemiczny.
-pierwiastki reagują ze sobą w ściśle określonych stosunkach mas
( stosunku wagowym).
W przeciwieństwie do mieszanin fizycznych, które można sporządzić z różnych
składników w dowolnych stosunkach wagowych, reakcje chemiczne przebiegają
jedynie przy zachowaniu ściśle określonej proporcji substratów, a w związku
chemicznym, który powstaje stosunki masowe składników są stałe.
np. woda H2O H : O = 2 ⋅ 1u : 1 ⋅ 16u = 1 : 8,
wodór i tlen występują w każdej próbce wody w stosunku wagowym 1 : 8, a to
oznacza, że 1 gram wodoru i 8 gram tlenu łączą się z wytworzeniem 9 gramów
wody.
Prosty przykład
Równanie:
NaOH + H2SO4  Na2SO4 + H2O
Kluczem
do rozwiązania każdego równania
jest następująca reguła:
Liczba atomów pierwiastka X po prawej
stronie równania jest taka sama jak liczba
atomów pierwiastka X po stronie lewej.
Skorzystajmy
ze znanego już nam równania:
NaOH + H2SO4  Na2SO4 + H2O
Z
poznanej przed chwilą reguły wynika, że:
 Liczba
atomów sodu (Na) po prawej i po lewej
stronie równania musi być taka sama
 Liczba atomów tlenu (O) po prawej i po lewej
stronie równania musi być taka sama
 Liczba atomów wodoru (H) po prawej i po lewej
stronie równania musi być taka sama
 Liczba atomów
siarki (S)
po prawej
i pospełniona
lewej
Zauważmy,
że powyższa
reguła
musi być
stronie
równania
musibiorące
być taka
sama
przez
wszystkie
atomy
udział
w reakcji!
Rozwiązanie krok po kroku
NaOH + H2SO4  Na2SO4 + H2O
Lewa:
1 atom Na
5 atomów O
3 atomy H
1 atom S
Prawa:
2 atomy Na
5 atomów O
2 atomy H
1 atom S
1. Rozpisujemy jakie i ile atomów znajduje się po
każdej stronie równania.
2. Patrzymy liczba których atomów jest inna po
prawej i lewej stronie równania  sodu oraz
wodoru
Rozwiązanie krok po kroku
2NaOH + H2SO4  Na2SO4 + H2O
3. Uzgadnianie stron rozpoczynamy od pierwiastków innych niż wodór i
tlen  w naszym przypadku jest to sód.
Skoro po prawej stronie mamy 2 Na, a po lewej tylko 1, to przed NaOH
dopisujemy 2.
W efekcie po lewej stronie równania zmienia się nam także liczba
atomów tlenu i wodoru:
Lewa:
1 atom Na
5 atomów O
3 atomy H
1 atom S
Lewa:
2 atomy Na
6 atomów O
4 atomy H
1 atom S
Prawa:
2 atomy Na
5 atomów O
2 atomy H
1 atom S
Rozwiązanie krok po kroku
2NaOH + H2SO4  Na2SO4 + 2 H2O
Lewa:
2 atomy Na
6 atomów O
4 atomy H
1 atom S
Prawa:
2 atomy Na
5 atomów O
2 atomy H
1 atom S
4. Uzgadniamy tleny.
Po prawej mamy 5 atomów tlenu, po lewej 6, z czego wynika, że gdzieś
po prawej stronie równania musimy dopisać 2. Pytanie brzmi gdzie?
Postawienie 2 przed Na2SO4 nie miałoby żadnego sensu, ponieważ
zniszczylibyśmy przed chwileczką uzgodnioną liczbę atomów sodu.
Z czego wynika, że 2 musimy postawić przed H2O i tak właśnie robimy.
Rozwiązanie krok po kroku
2NaOH + H2SO4  Na2SO4 + 2H2O
Postawienie 2 przed cząsteczką H2O powoduje, że po prawej stronie
równania zmienia się także liczba atomów wodoru:
Lewa:
2 atomy Na
6 atomów O
4 atomy H
1 atom S
Prawa:
2 atomy Na
5 atomów O
2 atomy H
1 atom S
Prawa:
2 atomy Na
6 atomów O
4 atomy H
1 atom S
5. Uzgadniamy wodory  w tym przypadku po uzgodnieniu liczby
atomów tlenu automatycznie uzupełniliśmy także liczbę atomów wodoru.
W EFEKCIE LEWA = PRAWA
Sprawdzenie
W
ten prosty sposób rozwiązaliśmy pierwsze
równanie stechiometryczne
2NaOH + H2SO4  Na2SO4 + 2H2O
Lewa:
2 atomy Na
6 atomów O
4 atomy H
1 atom S
lewa = prawa
Prawa:
2 atomy Na
6 atomów O
4 atomy H
1 atom S
C. Energia w reakcjach chemicznych
Spalanie na przykład magnezu czy siarki w tlenie wymaga
dostarczenia energii do zapoczątkowania reakcji . Potem proces
spalania zachodzi gwałtownie z wydzieleniem energii cieplnej
i świetlnej. Niektórym reakcjom mogą towarzyszyć również efekty
akustyczne (wybuch).
Takie reakcje przebiegające z wydzieleniem energii do otoczenia noszą
nazwę reakcji egzoenergetycznych.
Otrzymywanie tlenu z manganianu
(VII) potasu zachodzi tylko wtedy,
gdy dostarczamy przez cały czas
energii.
Reakcja chemiczna do której
przebiegu konieczne jest ciągłe
dostarczanie energii nosi nazwę
reakcji endoenergetycznej
W życiu codziennym przykładem
reakcji egzoenergetycznych jest
spalanie drewna lub węgla
kamiennego.
Podział reakcji ze względu na
efekty energetyczne
Egzoenergetyczne
Endoenergetyczne
(wydziela się energia do otoczenia)
(energia jest dostarczana)
substraty
substraty + energia
produkty + energia
reakcje wymuszone
reakcje samorzutne
Zn + 2HCl
ZnCl2 + H2 + energia
Przykłady:
produkty
2HgO
temperatura
2Hg + O2
Przykłady:
•spalanie gazu ziemnego
•smażenie mięsa
•spalanie drewna w kominku
•reakcja rozkładu
w kuchence gazowej,
na patelni,
tlenku rtęci (II)
D. Szybkość reakcji chemicznej
Reakcje przebiegają z bardzo różną szybkością jedne są momentalne (reakcje
jonowe), inne powolne (polimeryzacji), wreszcie znane są reakcje powolne o
szybkościach znikomo małych np. niektóre reakcje rozpadu promieniotwórczego.
Szybkość reakcji opisywana jest przez zmianę liczby moli (stężenia
substratów) lub zmianę liczby moli (stężenia produktów) w jednostce
czasu.
Szybkość reakcji wyrażamy więc jako przyrost stężenia molowego
produktu ∆C pr lub ubytek stężenia molowego substratu ∆Csub w
jednostce czasu ∆t
v
C produktu
t
lub
Csubstratu
v
t
W stałej temperaturze szybkość reakcji chemicznej jest w danej chwili
proporcjonalna do iloczynu stężeń substratów.
A  B  produkty
v  k[A]  [B]
k – stała szybkości reakcji, charakterystyczna
dla danej reakcji w danej temperaturze.
Równanie kinetyczne
aA  bB  cC  dD
Równanie
kinetyczne
jest
matematycznym
zapisem
szybkość reakcji ze stężeniami reagentów.
v  k  c aA  cBb
lub
v  k  [A] a  [B]b
k - stała szybkości reakcji,
cA, cB / [A], [B]- stężenia substratów A i B,
a, b - zazwyczaj współczynniki stechiometryczne z reakcji
a+b = rząd reakcji.
wiążącym
Czym zajmuje się kinetyka chemiczna?
 Badaniem szybkości reakcji chemicznych poprzez analizę
eksperymentalną i teoretyczną.
 Zdefiniowanie równania kinetycznego dla danej reakcji wymaga
danych eksperymentalnych dotyczących głównie zależności między
stężeniem reagentów a szybkością reakcji.
 Wpływem różnych zmiennych na szybkość reakcji, takich jak
temperatura czy obecność katalizatorów.
 Zebrane dane eksperymentalne, poddawane są analizie
teoretycznej w celu ustalenia mechanizmu, stechiometrii reakcji
oraz dopasowania odpowiedniego równania kinetycznego.
Opis reakcji chemicznej
 mechanizm reakcji – opisuje jak cząsteczki reagują z
sobą, które wiązania kolejno ulegają zerwaniu lub tworzeniu.
Jest to często zbiór elementarnych reakcji, które składają
się na całość przemiany definiując jej mechanizm.
 stechiometria reakcji – określa ilościowe zależności
reagentów; jaka ilość moli danego substratu potrzebna jest
do otrzymania określonej ilości moli produktu.
 rzędowość reakcji – opisuje zależność szybkości reakcji
od stężenia substratu.
Czynniki wpływające na kinetykę reakcji
Każda reakcja chemiczna w określonych warunkach ma swoją
ściśle określona szybkość reakcji wyrażaną poprzez stałą kinetyczną.
szybkość reakcji zależna jest od natury reagentów.
Czynniki wpływające na szybkość reakcji kontrolowane podczas jej przebiegu:
- Stężenie – molekuły reagujących substancji muszą się ze sobą
zderzać.
- Stan skupienia – molekuły muszą być ze sobą zmieszane by doszło
do zderzeń.
- Temperatura – molekuły muszą się zderzać z odpowiednią energią
by doszło do rekcji.
- Użycie katalizatora.
Wpływ zmian stężenia na stan równowagi
A BC D
[C][D]
K
[A][B]
1. Wprowadzenie substratów do roztworu
Następuje zwiększenie wartości mianownika, ponieważ stała K w danej
temperaturze nie ulega zmianie musi zwiększyć się wartość licznika.
Wniosek: Przy zwiększeniu stężenia substratów w roztworze
następuje przesunięcie równowagi w kierunku powstawania
produktów ( w prawo).
2. Wprowadzenie produktów do roztworu ( lub usuwanie substratów)
Następuje zwiększenie wartości licznika, ponieważ stała K nie ulega zmianie musi
nastąpić zwiększenie wartości mianownika.
Wniosek: przy zwiększeniu stężenia produktów w roztworze
następuje przesunięcie równowagi w kierunku substratów( w lewo).
Wpływ zmian temperatury na stan równowagi
Wzrost temperatury przesuwa położenie równowagi chemicznej, w myśl
reguły przekory i równocześnie zmienia wartość stałej równowagi K, w
odróżnieniu od zmian stężenia, które przesuwają równowagę przy
zachowaniu tej samej wartości K.
Jeżeli reakcja jest endotermiczna tzn. towarzyszy jej pochłanianie ciepła to wzrost
temperatury w myśl reguły przekory przesuwa równowagę w kierunku kompensacji
tej zmiany, czyli w kierunku pochłaniania ciepła ( tj. z lewej strony na prawą).
Wzrost temperatury w przypadku reakcji egzotermicznej egzoenergetycznej (takiej
której towarzyszy wydzielanie ciepła) przesuwa ją w kierunku odwrotnym (z prawej
strony na lewą).
Katalizator a równowaga
Katalizator nie wpływa na położenie stanu równowagi.
Katalizator w jednakowym stopniu zmienia szybkości reakcji w lewo i w prawo.
Działanie katalizatora polega na skróceniu czasu potrzebnego do osiągnięcia
stanu równowagi.
Wpływ zmian ciśnienia na stan równowagi
Zmiana ciśnienia wywołuje zmiany w układzie jedynie wtedy, gdy liczba moli
produktów reakcji jest różna od liczby substratów (zmienia się objętość
produktów w stosunku do objętości zajmowanej przez substraty).
3H 2  N 2  2 NH3
Z 4 moli substratów powstaje 2 mole produktów. Reakcji przebiegającej z lewa na
prawo, towarzyszy zmniejszenie ilości moli.
Wzrost ciśnienia w układzie, w którym zachodzi reakcja syntezy amoniaku,
spowoduje przesunięcie równowagi w kierunku kompensacji ciśnienia, czyli w
kierunku zmniejszenia ilości moli (tzn. w kierunku syntezy)
N 2O4  2NO2
Wzrost ciśnienia powoduje przesunięcie równowagi w lewo w kierunku tworzenia
N2O4 tj. w kierunku zmniejszenia ilości moli.
N 2  O2  2 NO
Zmiana ciśnienia nie wywołuje żadnych zmian w układzie znajdującym się w stanie
równowagi.
Jak wpłynie podwyższenie ciśnienia, przy stałej temperaturze, na równowagę
następujących reakcji:
2CO  O2  2CO2
Odpowiedź: równowaga przesunie się w prawo
Reakcja pomiędzy stałym węglem a dwutlenkiem węgla jest reakcją
endotermiczną:
C  CO2  2CO
W którą stronę przesunie się równowaga pod wpływem wzrostu temperatury?
Odpowiedź: Równowaga przesunie się w prawo.