8 Rch-instr.pdf

CHEMIA NIEORGANICZNA

Ćwiczenia laboratoryjne

kod kursu:

CHC 0120

REAKCJE CHEMICZNE I ICH KLASYFIKACJA

Opracowanie: Maria KucharskaZoń

WPROWADZENIE

Reakcją chemiczną nazywamy proces, w którym jedna lub kilka substancji chemicznych

ulega przemianie tworząc nową lub nowe substancje, w wyniku zerwania jednych, a utworzenia

innych wiązań między atomami reagujących cząsteczek lub jonów. Związane to jest zawsze ze

zmianami energetycznymi w układzie reagującym. Gdy zachodzi reakcja chemiczna występują

często widoczne oznaki, Ŝe coś się dzieje. Mogą zmieniać się barwy, wytrącać osady lub wydzie-

lać się gazy. Przebieg reakcji zapisujemy w postaci równania chemicznego, które jest symbolicz-

nym stwierdzeniem obserwowanych zjawisk chemicznych.

Reakcje chemiczne moŜna klasyfikować na wiele sposobów, w zaleŜności od wyróŜniają-

cych je cech, biorąc pod uwagę:

1. charakter przemiany (reakcje syntezy, analizy, wymiany),

2. efekt energetyczny towarzyszący przemianie chemicznej (reakcje egzotermiczne i endo-

termiczne),

3. stan fazowy reagujących substratów i produktów (reakcje homogeniczne i heterogeniczne),

4. wymianę elektronów między reagującymi cząsteczkami (reakcje oksydacyjno-redukcyjne i

reakcje bez wymiany elektronów),

5. odwracalność reakcji (równowagowe i nierównowagowe),

6. charakter jednostek biorących udział w reakcji (reakcje jonowe, cząsteczkowe, rodnikowe).

Określenie typu reakcji wg charakteru zachodzących przemian

Biorąc pod uwagę liczbę substratów i produktów biorących udział w reakcji moŜemy je po-

dzielić na: reakcje syntezy, analizy i wymiany.

Reakcja syntezy - otrzymywanie z dwu lub więcej reagentów, nowej, bardziej złoŜonej substancji,

zawierającej wszystkie atomy zawarte w substratach.

S + O 2 = SO 2

Szczególnym przypadkiem syntezy jest reakcja dimeryzacji, czyli proces łączenia się dwu cząste-

czek tego samego rodzaju w cząsteczki większe, np.:

2NO 2 = N 2 O 4

Reakcja analizy (reakcja rozkładu) – rozłoŜenie substancji na związki prostsze lub pierwiastki.

Rozkład związku moŜe następować:

pod wpływem ogrzewania (dysocjacja termiczna)

CaCO 3 = CaO + CO 2

pod wpływem światła (fotoliza)

2AgCl + h

= 2Ag

+ Cl 2

Reakcje wymiany :

pojedynczej – dwie lub więcej substancji prostych i złoŜonych przekształca się w dwie lub

więcej substancji , przy czym jedna z nich jest prosta

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2

lub jonowo: Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2

podwójnej – dwie lub więcej substancji złoŜonych przekształca się w inne substancje złoŜo-

BaCl 2 + Na 2 SO 4 = BaSO 4

+ 2NaCl lub jonowo: Ba 2+ + SO 4 2- = BaSO 4

Określenie typu reakcji wg efektu energetycznego

Zasadniczo wszystkie przemiany fizyczne i chemiczne wiąŜą się z wytworzeniem lub zu-

Ŝyciem energii. Dla przemian chemicznych zachodzących pod stałym ciśnieniem wielkość efek-

tu energetycznego charakteryzuje wydzielone lub pobrane ciepło, które w tym wypadku jest równe

zmianie entalpii reakcji (H r ). Standardowe ciepło reakcji chemicznej określa wyraŜenie:

r = ΣH

(tworzenia produktów) –ΣH

(tworzenia substratów)

Zmiana entalpii zaleŜy od rodzaju reakcji, liczności, ciśnienia i temperatury i moŜe przybie-

rać wartości dodatnie i ujemne. Porównywanie zmian entalpii dla róŜnych reakcji wymaga okre-

ślenia warunków standardowych: temperatury (T=298 K) i ciśnienia (p

=101,325 kPa).

JeŜeli entalpia produktów jest mniejsza od entalpii substratów wówczas ciepło rozpatrywa-

nej reakcji jest wydzielane do otoczenia , czyli zmiana entalpii układu jest ujemna, przebiega pro-

ces egzotermiczny ( H < 0) .

Rozpatrzmy proces spalania węgla w tlenie:

C (s) + O 2(g) = CO 2(g) H = -393,5 kJ

Reakcji spalania jednego mola węgla z jednym molem tlenu cząsteczkowego prowadzącej

do powstania jednego mola ditlenku węgla, towarzyszy cieplny przepływ 395, 5 kJ energii od re-

agentów do otoczenia.

W przypadku pobierania ciepła z otoczenia , czyli dodatniej zmianie entalpii układu, zacho-

dzi proces endotermiczny ( H > 0)

2CaO (s) = 2 Ca (s) + O 2(g) H = +1270,2 kJ

Z reakcji wynika, Ŝe rozkładowi dwóch moli tlenku wapnia, prowadzącemu do powstania

dwóch moli wapnia i jednego mola tlenu cząsteczkowego towarzyszy cieplny przepływ 1270,2 kJ

energii z otoczenia do reagentów.

Zmianę entalpii jaka towarzyszy syntezie jednego mola związku chemicznego z substancji

prostych w warunkach standardowych (H

tw ) nazywamy molową standardową entalpią tworzenia

związku.

PoniewaŜ entalpia molowa termicznego rozkładu tlenku wapnia wynosi 635,1kJ, (przeciwny

znak do molowej entalpii tworzenia – patrz tabela), a z molowych współczynników stechiome-

trycznych wynika, Ŝe w reakcji biorą udział dwa mole tlenku wapnia, więc efekt cieplny będzie

dwukrotnie większy.

W tabeli przedstawiono standardowe entalpie molowe tworzenia niektórych związków nie-

organicznych w warunkach standardowych (kJ/mol)*

Związek** H o tw

CO (g) -110,5

CO 2(g) -393,5

CaCO 3 (kalcyt) -1206

CaO (s)

-635,1

HCl (g)

-92,3

NO 2(g)

33,9

NH 4 Cl (s)

-17,.9

MgO (s)

-600,1

CuO (s)

-155,2

NO (g)

90,4

*JeŜeli rozpatrujemy entalpię rozpadu związków naleŜy zmienić znak zmiany entalpii na przeciwny

**Wskaźniki g, c, s oznaczają, Ŝe dana substancja znajduje się odpowiednio w stanie gazowym,

ciekłym lub stałym. UŜywamy tych wskaźników wyjątkowo, gdy chcemy tę informację wyraźnie za-

znaczyć .

Reakcje egzotermiczne są zwykle reakcjami samorzutnymi, do zapoczątkowania których

wystarczy zetknięcie się reagentów. Niektóre reakcje wymagają jednak zainicjowania przez do-

prowadzenie do układu niewielkiej ilości energii (energia aktywacji) , po czym reakcja biegnie juŜ

samorzutnie ( np. spalanie magnezu w powietrzu).

2Mg (s) + O 2(g) = 2MgO (s)

Określenie typu reakcji wg stanu fazowego reagujących substratów i produktów

Faza jest to część lub całość układu, która wykazuje w całej masie jednakowe właściwości

fizyczne i jest oddzielona wyraźnie od reszty układu (otoczenia).

Jedną fazą jest np. mieszanina gazów, jednorodny roztwór ciekły, kryształy dowolnej soli.

Natomiast dwie odmiany krystalograficzne tej samej substancji (np.CaCO 3 ) są dwiema oddziel-

nymi fazami (kalcyt i aragonit). Ilość faz w reakcji liczymy podczas jej trwania wg równania suma-

rycznego (produkty reakcji pośrednich nie tworzą odrębnych faz).

JeŜeli podczas trwania reakcji substraty i produkty znajdują się w tej samej fazie to zacho-

dzi reakcja homogeniczna (jednofazowa), Dotyczy to:

reakcji w roztworach całkowicie mieszających się ze sobą,

NaOH (aq)) + HCl (aq) = NaCl (aq) + H 2 O (aq) lub jonowo: OH - + H + = H 2 O

reakcji w fazie gazowej w całej objętości (bez udziału powierzchni stałych i ciekłych)

2CO (g) + O 2(g) = 2CO 2(g)

Natomiast reakcje heterogeniczn e (wielofazowe) przebiegają na granicy dwu faz z udziałem

katalizatora lub bez. NaleŜą do nich :

wszystkie reakcje przebiegające z udziałem faz stałych,

Fe (s) + S (s) =FeS (s)

reakcje w których powstający produkt jest w innej fazie niŜ substraty,

CaCl 2(aq) + (NH 4 ) 2 C 2 O 4(aq) = CaC 2 O 4(s) + 2NH 4 Cl (aq) lub jonowo: Ca 2+ + C 2 O 4 2- = CaC 2 O 4

reakcje w których substraty znajdują się w róŜnych fazach,

C (s) + O 2(g) = CO 2(g)

reakcje w których substraty i produkty znajdują się w tej samej fazie, ale reakcja przebiega

na powierzchni granicznej z inną fazą (np. spalanie amoniaku w obecności katalizatora pla-

tynowego w temperaturze 1100 K )

NH 3(g) + 5O 2(g) = 6H 2 O (g) + 4NO (g)

Podział reakcji ze wzglĘdu na wymianĘ elektronów miĘdzy reagujĄcymi czĄsteczkami

lub jonami .

JeŜeli w czasie trwania reakcji stopień utlenienia Ŝadnego z pierwiastków nie ulega zmianie

przebiega reakcja bez wymiany elektronów.

MgO + H 2 O = Mg(OH) 2

W reakcjach oksydacyjno-redukcyjnych zachodzi wymiana elektronów między reagującymi

substratami i zmiana stopnia utlenienia pierwiastka. Reakcji utlenienia zawsze towarzyszy proces

redukcji. Ze względu na miejsce występowania utleniacza i reduktora wyróŜnia się:

„zwykłe” reakcje utleniania i redukcji, w których atomy pierwiastka pobierające elektrony i

atomy pierwiastka oddające elektrony występują w róŜnych substancjach chemicznych

Sn 2+ + Zn = Zn 2+ + Sn

reakcje dysproporcjonowania, w których atomy pobierające i oddające elektrony występują

w tej samej substancji chemicznej i na tym samym stopniu utlenienia i dotyczą atomów tego

samego pierwiastka

2Br 2 + HgO + H 2 O = HgBr 2 + 2HBrO

reakcje utleniania i redukcji wewnątrzcząsteczkowej, w których atomy pobierające i oddają-

ce elektrony występują w tej samej cząsteczce bądź jonie i dotyczą atomów róŜnych pier-

wiastków lub atomów tego samego pierwiastka róŜniących się stopniem utlenienia

2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2

Szczegółowe informacje o reakcjach oksydacyjno-redukcyjnych podano w ćwiczeniu „Re-

akcje chemiczne II – utlenianie i redukcja”.

Podział reakcji ze względu na ich odwracalność

Zasadniczo wszystkie reakcje chemiczne z teoretycznego punktu widzenia są odwracalne

( równowagowe), tzn. mogą przebiegać w dwu przeciwnych kierunkach. Po pewnym czasie ustala

się stan równowagi chemicznej, (patrz: ćwiczenie „Równowaga chemiczna”) charakteryzujący się

tym, Ŝe obok siebie mogą istnieć zarówno substraty jak i produkty. JeŜeli w danych warunkach

reakcja nie zachodzi do końca i po pewnym czasie ustala się stan równowagi chemicznej , a pod

działaniem czynników zewnętrznych (temperatury, ciśnienia, stęŜenia reagentów) następuje prze-

sunięcie połoŜenia stanu równowagi reakcji chemicznej w stronę przeciwną to reakcja jest od-

wracalna . Jako przykład rozpatrzmy syntezę tlenku siarki (VI)

2SO 2 + O 2 = 2SO 3

JeŜeli zwiększymy stęŜenie SO 3 to nastąpi przesunięcie połoŜenia stanu równowagi i od-

tworzenie substratów (SO 2 , O 2 ). Natomiast wzrost stęŜenia np.O 2 przesuwa połoŜenie stanu rów-

nowagi w prawo.

W praktyce istnieją reakcje, które moŜna uwaŜać za nieodwracalne (nierównowagowe).

Mamy z nimi do czynienia wtedy, gdy:

reakcje odwrotne prowadzące do odtworzenia substratów wymagają skrajnych warunków

(np. spalanie glinu w tlenie)

4Al + 3O 2

2Al 2 O 3

jeden z produktów opuszcza środowisko reakcji (układ otwarty), co uniemoŜliwia osiągnię-

cie stanu równowagi i substraty całkowicie przechodzą w produkty:

Natomiast jeŜeli reakcja rozkładu węglanu wapnia przebiega w układzie zamkniętym, to

wówczas po pewnym czasie ustali się stan równowagi chemicznej między substratami i produk-

tami.

CaCO 3 + 2H +

Ca 2+ + H 2 O + CO 2

Określanie typu reakcji zaleŜnie od charakteru jednostek biorących udział w reakcji

Reakcje jonowe są to reakcje, w których substraty i produkty występują w postaci jonów

(przynajmniej jeden z nich). Oznacza to, Ŝe jeśli obok jonów występują jako substraty lub produk-

ty cząsteczki ( słabe elektrolity, związki trudno rozpuszczalne) to reakcja jest jonowa.

Fe 3+ + 3NH 3 H 2 O = Fe(OH) 3

+ 3NH 4 +

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: