Podstawy obliczeń chemicznych 4.pdf

Podstawy Obliczeń Chemicznych

Autor rozdziału: Anna Dołęga

Rozdział 4. Stechiometria reakcji chemicznych

4.1. Równania reakcji chemicznych

4.2. Typy reakcji chemicznych

4.2.1. Reakcje chemiczne wymiany ligandów i protonów (reakcje przebiegające bez

wymiany elektronów)

4.2.2. Bilansowanie reakcji chemicznych przebiegających bez wymiany elektronów

4.2.3. Reakcje utleniania i redukcji (redoks)

4.2.4. Bilansowanie reakcji redoks

4.2.4.1. Dobieranie współczynników w reakcjach redoks metodą stopni utlenienia

4.2.4.2. Metoda równań połówkowych

4.2.4.3. Metoda algebraiczna (arytmetyczna)

4.3. Stechiometria reakcji chemicznych

4.3.1. Obliczenia ilości substratów i produktów na podstawie równań reakcji chemicznych

4.3.2. Obliczenia ilości substratów i produktów na podstawie równań reakcji chemicznych.

Reakcje równoległe. Reakcje mieszanin

4.3.3. Obliczenia ilości substratów i produktów na podstawie równań reakcji chemicznych.

Niestechiometryczne ilości reagentów

4.3.4. Obliczenia ilości substratów i produktów na podstawie równań reakcji chemicznych.

Wydajność reakcji

4.1 Równania reakcji chemicznych

Reakcja chemiczna to przemiana w wyniku której zostają rozerwane istniejące w

danym układzie wiązania chemiczne i/lub tworzą się nowe wiązania chemiczne. Rozrywaniu i

tworzeniu wiązań chemicznych towarzyszy wydzielanie lub pochłanianie energii przez

badany układ. Przemiany takie zapisujemy przy pomocy równań reakcji np.

SiS 2 + 3O 2 = SiO 2 + 2SO 2

SiS 2 + 3O 2 → SiO 2 + 2SO 2

Równanie reakcji podaje jakie substancje chemiczne wchodzą w reakcję chemiczną i

jakie w jej wyniku powstają. Powyższy zapis odczytujemy: disiarczek krzemu reaguje z

tlenem tworząc (= lub → ) ditlenek krzemu i ditlenek siarki. Równanie zawiera również

informacje ilościowe i mówi nam, iż jedna cząsteczka disiarczku krzemu reaguje z trzema

cząsteczkami tlenu tworząc jedną cząsteczkę dwutlenku krzemu i dwie cząsteczki dwutlenku

siarki lub jeden mol dwusiarczku krzemu reaguje z trzema molami tlenu tworząc jeden mol

dwutlenku krzemu i dwa mole dwutlenku siarki. Stosunek liczby moli określa nam również

stosunek wagowy reagujących substancji. Substancje, które wchodzą ze sobą w reakcję i są

zapisane w równaniu po lewej stronie (przed znakiem równości) nazywamy substratami

reakcji. Substancje, które powstają w wyniku reakcji nazywamy produktami reakcji. W

przykładzie pierwszym dwusiarczek krzemu i tlen to substraty reakcji a dwutlenek krzemu i

dwutlenek siarki to jej produkty. Substraty i produkty reakcji chemicznej nazywane są też

reagentami.

4.2 Typy reakcji chemicznych

Reakcje chemiczne można podzielić na reakcje wymiany ligandów, reakcje

wymiany protonów oraz reakcje , w których następuje przeniesienie elektronów między

reagentami inaczej reakcje utleniania i redukcji (redoks) . Zostaną one omówione

oddzielnie w kolejnych podrozdziałach ze względu na różnice w sposobie bilansowania

równań. Inne rodzaje klasyfikacji reakcji chemicznych nie będą omawiane.

4.2.1. Reakcje chemiczne wymiany ligandów i protonów (reakcje przebiegające bez

wymiany elektronów)

Poniżej przedstawiono kilka przykładów:

• Reakcje wytracania osadów np.:

Pb(NO 3 ) 2 (aq) + 2KI(aq) = PbI 2 (s) + 2KNO 3 (aq)

- 2 -

Symbole w nawiasach oznaczają fazę substancji: (aq) w wodnym roztworze,

(s) stała, (g) gaz (l) ciecz. Siłą napędową powyższej reakcji jest wytrącanie w

roztworze osadu trudno rozpuszczalnej soli, jaką jest jodek ołowiu(II). Po zmieszaniu

dwóch klarownych bezbarwnych roztworów azotanu ołowiu(II) i jodku potasu - obie

te sole dobrze rozpuszczają się w wodzie- obserwujemy zmętnienie roztworu i

wytrącanie intensywnie żółtego osadu.

• Tworzenie słabo zdysocjowanego elektrolitu w tym reakcje zobojętniania np.:

HNO 3 (aq) + NaOH(aq) = NaNO 3 (aq) + H 2 O(l)

Na 2 S(aq) + 2HCl(aq) = 2NaCl(aq) + H 2 S(g)

W pierwszej reakcji tworzy się praktycznie niezdysocjowany produkt, jakim

jest woda. Na ogół, jeżeli reakcja zachodzi w roztworach rozcieńczonych, to nie

obserwuje się objawów reakcji chyba, że tak jak w drugim z przytoczonych

przykładów powstają w niej produkty gazowe. Wydzielający się siarkowodór jest

gazem o bardzo charakterystycznym, nieprzyjemnym zapachu.

• Reakcje kompleksowania.

AgCl(s) + 2NH 3 (aq) = Ag(NH 3 ) 2 Cl(aq)

W reakcji powyższej powstaje jon kompleksowy Ag(NH 3 ) 2 + składający się z

jonu centralnego Ag + oraz otaczających go ligandów - cząsteczek amoniaku. Na

skutek tworzenia chlorku diaminasrebra nierozpuszczalny w wodzie biały osad

chlorku srebra roztwarza się w rozcieńczonych roztworach amoniaku.

• Niektóre reakcje syntezy i rozkładu (analizy) np.:

NH 4 Cl(s) = NH 3 (g) +HCl(g)

NaOH(s) + CO 2 (g) = NaHCO 3 (s)

Wiele z powyższych reakcji to reakcje przebiegające w roztworze wodnym między

jonami. Ważna jest wobec tego umiejętność zapisywania ich w formie jonowej co najlepiej

oddaje istotę reakcji. Pierwsza z przytoczonych reakcji została zapisana poniżej w formie

jonowej:

Pb 2+ (aq) + 2NO 3 − (aq) + 2K + (aq) + 2I − (aq) = PbI 2 (s) + 2K + (aq) + 2NO 3 − (aq)

Po przeanalizowaniu tego zapisu stwierdzamy, iż część jonów pozostaje w

niezmienionej formie po obu stronach równania, zatem nie biorą one udziału w reakcji. W

języku angielskim noszą one nazwę „spectator ions” co można przetłumaczyć jako „jony

widzowie”. Nie uczestniczą one bezpośrednio w reakcji. Po wykreśleniu jonów „widzów” po

- 3 -

obu stronach równania reakcji otrzymujemy zapis jonowy, dobrze ilustrujący istotę

zachodzącego procesu:

Pb 2+ (aq) + 2NO 3 − (aq) + 2K + (aq) + 2I − (aq) = PbI 2 (s) + 2K + (aq) + 2NO 3 − (aq)

Pb 2+ (aq) + 2I − (aq) = PbI 2 (s)

4.2.2. Bilansowanie reakcji chemicznych przebiegających bez wymiany elektronów

Równanie reakcji chemicznej może służyć do ilościowych rozważań dopiero wtedy,

gdy jest zbilansowane. Zbilansowanie równania oznacza doprowadzenie do równości

liczby poszczególnych rodzajów atomów po obu stronach równania. Jeżeli mamy do

czynienia z zapisem jonowym należy doprowadzić również do wyrównania

sumarycznego ładunku obu stron równania. W przypadku reakcji nieredoksowych

bilansowanie równania na ogół nie nastręcza trudności. Można to wykonać intuicyjnie lub

zastosować schemat postępowania przedstawiony poniżej.

Przykład 4.1. Bilansowanie równania reakcji podwójnej wymiany

Zbilansuj podane równanie reakcji chemicznej: BaCl 2 + H 3 PO 4 = Ba 3 (PO 4 ) 2 + HCl

Rozwiązanie.

1. Pierwszym etapem jest zbilansowanie atomów metali po obu stronach równania:

3 BaCl 2 + H 3 PO 4 = Ba 3 (PO 4 ) 2 + HCl

2. Kolejny etap to zbilansowanie atomów niemetali innych niż tlen i wodór:

3BaCl 2 + 2 H 3 PO 4 = Ba 3 (PO 4 ) 2 + 6 HCl

3. Następnie sprawdzamy kolejno liczbę atomów wodoru i tlenu . W rozważanym

przykładzie liczby te są już uzgodnione.

3BaCl 2 + 2H 3 PO 4 = Ba 3 (PO 4 ) 2 + 6HCl

4. W razie potrzeby powtarzamy sprawdzanie od początku.

Przykład 4.2. Bilansowanie równania reakcji podwójnej wymiany

Zbilansuj podane równanie reakcji chemicznej: Cr(OH) 3 + H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O

Rozwiązanie:

1. 2 Cr(OH) 3 + H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O

2. 2Cr(OH) 3 + 3 H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4 ) 3 + H 2 O

3. 2Cr(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Cr 2 (SO 4 ) 3 + 6 H 2 O

4. KONIEC

- 4 -

4.2.3. Reakcje utleniania i redukcji (redoks)

W reakcjach tego typu mamy do czynienia z faktycznym lub tylko formalnym

przeniesieniem ładunku (elektronów) między atomami.

-3

-2

4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O

Powyższe równanie reakcji przedstawia katalizowane przez platynę spalanie amoniaku

z utworzeniem tlenku azotu i wody. Mamy tu do czynienia z przeniesieniem ładunków

ujemnych (elektrony) z atomów azotu na atom tlenu. W wyniku reakcji tworzą się wiązania

kowalencyjne spolaryzowane. Elektrony tworzące te wiązania są przesunięte w stronę atomu

bardziej elektroujemnego, czyli tlenu. Należy jednak pamiętać, iż w wyniku reakcji nie

tworzą się naładowane jony, co mógłby sugerować zapis stopni utlenienia, (liczby zapisane

kursywą powyżej atomów).

Stopnie utlenienia definiuje się jako ładunki, które posiadałyby atomy wchodzące

w skład związku chemicznego, gdyby następowało całkowite przeniesienie elektronów

walencyjnych z atomu mniej elektroujemnego na bardziej elektroujemny .

Stopnie utlenienia są przypisywane atomom zgodnie z regułami, które będą

przedstawione w kolejnym rozdziale.

Mówimy, że związek, w którym znajduje się atom zwiększający stopień utlenienia

wskutek reakcji ulega utlenieniu. Utlenianie jest zatem zwiekszaniem stopnia utlenienia.

Związek ulegający utlenieniu nazywamy reduktorem . Związek, w którym znajduje się atom

zmniejszający stopień utlenienia na skutek reakcji, ulega redukcji (redukcja - zmniejszanie

stopnia utlenienia). Związek ulegający redukcji jest jednocześnie utleniaczem, gdyż powoduje

utlenienie partnera reakcji. W podanym wyżej przykładzie reduktorem jest amoniak a

utleniaczem jest tlen. Jak widać reakcja utlenienia jest ściśle powiązana z reakcją redukcji i

zachodzą one równolegle w tym samym czasie. Możliwe jest fizyczne rozdzielenie reakcji

utlenienia od reakcji redukcji - dzieje się tak w ogniwach chemicznych.

4.2.4. Bilansowanie reakcji redoks

Bilansowanie reakcji redoks jest na ogół bardziej pracochłonne niż bilansowanie

reakcji zachodzących bez wymiany elektronów, gdyż obok reakcji zupełnie prostych takich

jak:

C + O 2 = CO 2

pojawiają się tu reakcje bardzo złożone z wysokimi współczynnikami stechiometrycznymi

np.:

- 5 -

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: