Chemická reakce. výchozí látky (reaktanty)

Transkript

1 Chemická reakce - chemické vazby vznikají v důsledku snahy atomů (obecně jakýchkoli soustav) snižovat svou energii v jiných podmínkách může docházet ke vzniku nových vazeb tento děj označujeme jako chemickou reakci - jinými slovy, chemická reakce je děj, při kterém zanikají některé chemické vazby a vznikají vazby nové, říkáme, že z výchozích látek (reaktantů) vznikají produkty můžeme zapsat pomocí chemické rovnice: výchozí látky (reaktanty) produkty - i když vznikají energeticky výhodnější látky a děj by měl tedy probíhat samovolně bývá často potřeba dodat na začátku energii (musíme zapálit, bouchnout o zem, atd.) - tuto počáteční energii označujeme aktivační energie označuje se E A - tím, že vznikají nové vazby, vznikají i nové látky - na počátku reakce máme v reakční směsi pouze výchozí látky, postupem času, jak probíhá reakce, přibývá ve směsi produktů (to je asi jasné, jinak by nemělo smysl mluvit o reakci) - po čase ovšem soustava dospěje do rovnováhy složení směsi se už více nemění máme stále stejné množství produktů a výchozích látek (asi bychom si v této fázi měli říci, že málokterá reakce probíhá tak, že se všechny výchozí látky přemění na produkty, většinou je to tak, že nám zůstává určité množství výchozích látek, které se už nepřemění) - tuto rovnováhu označujeme jako dynamická rovnováha to znamená, že se nemění složení směsi, ale děje (reakce) stále probíhají aby to dávalo smysl, znamená to, že se stále přeměňují výchozí látky na produkty, ale zároveň se stejné množství produktů rozpadá opět na výchozí látky - takovéto reakce označujeme jako zvratné a označujeme je v chemické rovnici oboustrannou šipkou A + B C + D - jinou veličinou, která popisuje průběh reakce je reakční rychlost tu můžeme různým způsobem ovlivňovat (většinou tedy zvyšovat) například teplotou, vyšší koncentrací nebo například katalyzátorem) - obor chemie, který se zabývá průběhem chemických reakcí se jmenuje reakční kinetika Otázky: Proč probíhají chemické reakce? Proč je třeba dodat aktivační energii? Jak se asi posune rovnováha, pokud budeme přidávat výchozí látku? Jak se posune rovnováha, když budeme odčerpávat produkt reakce? Pokud je nějaká reakce exotermická (to znamená, že se při ní uvolňuje energie), co ji zrychlí - zahřívání nebo ochlazování?

2 třídění reakcí: 1) Podle energetického hlediska - energetickou stránkou různých soustav se zabývá termodynamika v chemii je to termochemie - podle toho, jak se mění teplota reakční směsi rozlišujeme tři typy reakcí: - a) exotermické Q m < 0 teplo se uvolňuje do okolí - b) endotermické Q m > 0 teplo se spotřebovává soustavou (aby reakce probíhala, musíme směs zahřívat) - c) atermické Q m = 0 teplota směsi se nemění - veličina Q m je reakční teplo, udává se v kj/mol (pozor, myslí se tím mol reakčních přeměn, tedy ne mol molekul, mol reakčních přeměn je vlastně vyjádřen správně vyčíslenou chemickou rovnicí) - A teď jeden příklad: - Jak velké množství tepla se uvolní při hoření 50 l ethanu (C 2 H 6 ), víme-li, že při shoření jednoho molu se uvolní teplo - Q m = 121 kjmol -1? (Je třeba návod? Tak jaké látkové množství představuje 50 l plynu ethanu?) - A zkusme ještě nějaké další příklady: - Kolik tepla se uvolní při hoření 100 g uhlí, jestliže na jeden mol uhlíku se uvolní 216 kjmol -1? - Na ohřátí jednoho litru vody je třeba 1500 kj tepla. Jaký objem plynu propanu (C 3 H 8 ) potřebujeme k ohřátí této vody, jestliže při hoření 1 molu propanu se uvolní 182 kjmol -1? 2) Podle charakteru chemické změny - a) slučování (syntéza) 3 H 2 + N 2 2 NH 3 NH 3 + HCl NH 4 Cl Popiš si průběh reakce (co pozoruješ) amoniaku s kyselinou chlorovodíkovou: - b) rozklad (analýza) 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 CaCO 3 CaO + CO 2 Jak dokážeš kyslík vzniklý v první reakci? - c) nahrazování (substituce) Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 Jak se změnilo oxidační číslo vodíku a zinku?.. - d) podvojná záměna (konverze) HCl + NaOH H 2 O + NaCl AgNO 3 (aq) + NaCl (ag) AgCl (s) + NaNO 3 (aq) Co znamenají symboly aq a s? Co by potom mohly označovat symboly l a g?....

3 3) Podle charakteru přenášených částic a) protolytické (acidobazické) - podstatou reakce je výměna protonů (H + ) neutralizace = reakce kyselin a zásad za vzniku:..... H 2 SO KOH 2 H 2 O + K 2 SO 4 pojmenuj mě:.. b) redoxní (oxidačně redukční) - podstatou reakce je vzájemná výměna elektronů - doplň v této reakci oxidační čísla jednotlivých prvků CuSO 4 + Fe Cu + FeSO 4 Napiš, jak se při reakci mění oxidační číslo mědi. Napiš, jak se při reakci mění oxidační číslo železa.. - oxidace = děj, kdy dochází ke zvyšování oxidačního čísla (oxidovala se měď nebo zinek? ) - redukce = děj, kdy dochází ke snižování oxidačního čísla (redukoval se zinek nebo měď?) - oxidační činidlo = způsobuje oxidaci (samo se přitom tedy musí redukovat) - redukční činidlo = způsobuje redukci (samo se přitom tedy musí oxidovat) - když činidlo něco redukuje (redukční činidlo) musí tomu dodávat elektrony samo je tedy musí ztrácet zvyšuje se mu tedy oxidační číslo oxiduje se Při hoření dochází k reakci mezi kyslíkem a nějakou látkou (dřevo, uhlí..) a vznikají oxidy. Kyslík je tedy v těchto reakcích činidlem oxidačním nebo redukčním? Oxiduje se nebo se redukuje?. Znalost pravidel oxidace a redukce je velmi důležité pro rozhodování o tom, zda určité reakce probíhat budou nebo nebudou a také jaké produkty budou při reakcích vznikat. Tato pravidla vyplývají z Becketovy elektrochemické řady kovů. neušlechtilé kovy ušlechtilé kovy K Na Ca Mg Al Zn Fe Pb H Cu Ag Hg Au Důležitým mezníkem v této řadě je vodík. Kovy od něj napravo se označují jako. a kovy od něj nalevo jako.. Neušlechtilé kovy jsou takové, které při reakci s kyselinou uvolňují vodík. Kovy ušlechtilé jsou potom takové, které vodík při reakcích s kyselinou neuvolňují, případně s kyselinou nereagují, pokud reagují, vzniká při reakci oxid kyselinotvorného prvku. A nyní velmi důležité pravidlo: V řadě kovů prvek nalevo vytěsní (redukuje) ze sloučenin prvky od sebe napravo toho se využívá například při výrobě kovů: Zn + CuSO 4 Cu + ZnSO 4 (zinek je nalevo od mědi, reakce proběhne) Fe + Na 2 SO 4 neprobíhá (železo není nalevo od sodíku) Nyní zkus rozhodnout sám (sama): Pokud reakce probíhá, zkus doplnit, co vzniká 2 Na + MgCO 3 Cu + K 2 SO 4 K + NaCl Al + Fe 2 (SO 4 ) 3

4 c) reakce srážecí - podstatou reakce je výměna iontů vzniká sraženina (nerozpuštěná látka) ta se dá odfiltrovat nebo usadit. BaCl 2 + Na 2 SO 4 BaSO NaCl Která sloučenina je v reakci nerozpustná? Pojmenuj ji.. d) komplexotvorné reakce - podstatou je přenos atomů nebo atomových skupin často se projeví barevně CuSO NH 3 [Cu(NH 3 ) 4 ]SO 4 Otázky: Může se atom vodíku oxidovat nebo redukovat? Jak se mění oxidační číslo redukčního činidla? Co si představuješ pod pojmem zákon zachování hmotnosti? Chemické reakce se zapisují chemickou rovnicí rovnice obsahuje informaci o: - chemických látkách, které se reakce účastní (ve formě chemických vzorců) - poměr, ve kterém spolu molekuly reagují ve formě stechiometrických koeficientů rovnice musí respektovat (a tedy i my při jejím sestavování): - zákon zachování hmotnosti (nalevo i napravo musí být stejný počet jednotlivých atomů) - zákon zachování počtu elektronů má význam pro redoxní rovnice (na to přijde řeč za chviličku) - zákon zachování elektrického náboje pokud spolu reagují ionty Naším úkolem bude se naučit doplňovat do rovnic stechiometrické koeficienty. Máme dvě možnosti: 1) nejedná se o redoxní děj vycházíme ze zákona zachování hmotnosti (prostě to spočítáme tak, aby to vycházelo) číslo jedna se nepíše Tak si pár příkladů vyzkoušejme:? FeCl 3 +? NH 4 OH? Fe(OH) 3 +? NH 4 Cl Pb(NO 3 ) 2 + KI PbI 2 + KNO 3 KOH + H 2 SO 4 K 2 SO 4 + H 2 O CuSO 4 + Fe FeSO 4 + Cu BaCl 2 + Na 2 CO 3 BaCO 3 + NaCl AgNO 3 + KCl AgCl + KNO 3 CaCO 3 + H 2 SO 4 CaSO 4 + CO 2 + H 2 O CaCO 3 + HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O P 4 O 10 + H 2 O H 3 PO 4 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 Al(OH) 3 + H 2 SO 4 Al 2 (SO 4 ) 2 + H 2 O NH 4 Cl + Ca(OH) 2 NH 3 + CaCl 2 + H 2 O BaCl 2 + K 2 CrO 4 BaCrO 4 + KCl

5 2) jedná se o redoxní děj musíme vycházet i z počtu předávaných elektronů nejdříve velmi jednoduchý příklad: Zn H I Cl Zn II Cl 2 + H 2 0 dobré je si do rovnice doplnit oxidační čísla, abychom si ujasnili, který prvek se redukuje a který oxiduje úvaha: zinek ztratil dva elektrony, ty se nemohou jen tak pohybovat v roztoku, musí je nějaký jiný prvek přijmout v našem případě vodík Zinek změnil oxidační číslo z 0 na II, to znamená, že ztratil dva elektrony. Vodík změnil oxidační číslo z I na 0, to znamená, že jeden elektron přijal. zapisujeme pro přehlednost takto: oxidace: Zn 0-2e - Zn II ztratil elektronů: 2 1 redukce: H I + e - H 0 získal elektronů: 1 2 ze zápisu vidíme, že na jeden atom zinku musí být dva atomy vodíku, tento poměr doplníme do rovnice před vzorec ve kterém se vyskytuje příslušná oxidovaná (redukovaná) látka, zbytek stechiometrických koeficientů dopočítáme podle zákona zachování hmotnosti. Na zkoušku spočítáme, zda máme na levé i pravé straně stejný počet jednotlivých atomů Tento případ byl velmi jednoduchý. Zkusme trochu složitější: H 2 S + O 2 SO 2 + H 2 O 1) postupujeme opět následovně doplníme oxidační čísla prvků v rovnici, abychom věděli, která látka se oxiduje a která redukuje proveď 2) zapíšeme pod sebe oxidaci a redukci: - POZOR musíme brát v úvahu, že do reakce vstupuje molekula O 2 ne jeden atom kyslíku: oxidace: S -II - 6e- S IV 6 4 a můžeme vykrátit: 2 redukce: 2 O o + 4e - 2 O -II ) zjistili jsme poměr a ten nyní doplníme do rovnice. Před kyslík na pravé straně píšeme 3, před sloučeninu se sírou na pravé straně píšeme 2 a zbytek dopočítáme 2 H 2 S + 3 O 2 2 SO H 2 O A můžeme zase dál. KMnO 4 + KI + H 2 SO 4 I 2 + K 2 SO 4 + MnSO 4 + H 2 O 1) postupujeme opět následovně doplníme oxidační čísla prvků v rovnici, abychom věděli, která látka se oxiduje a která redukuje proveď 2) zapíšeme pod sebe oxidaci a redukci: oxidace: I -I - e - I redukce: Mn VII + 5 e - Mn II ) zjistili jsme poměr 5 : 1, ale pozor vidíme, že molekula I 2 je dvouatomová, tedy na levé straně je potřeba před KI psát sudé číslo, proto celý poměr vynásobíme dvěma (tak jako jsme v předchozím příkladě krátili, tak teď musíme naopak rozšiřovat) a dostaneme se k poměru 10 : 2; tato čísla doplníme na příslušná místa do rovnice (10 před sloučeniny s jodem a 2 před sloučeninu s manganem) a dopočítáme ostatní koeficienty Na závěr můžeme vždy provést zkoušku jestli nám na levé a pravé straně souhlasí počty jednotlivých atomů a také počty uvolněných a přijatých elektronů.

6 A pár rovnic na procvičení: NaBr +. Cl 2. NaCl + Br 2...H 2 S + O 2. SO 2 +. H 2 O...HI + H 2 SO 4. I 2 +. H 2 S +. H 2 O FeCl 3 + H 2 S FeCl 2 + S +. HCl Cr 2 O 3 +. KNO 3 +. KOH K 2 CrO 4 +. KNO 2 + H 2 O AuCl 3 + H 2 O 2 + KOH Au + O 2 + KCl + H 2 O KMnO Na 2 SO 3 + H 2 O. MnO 2 + Na 2 SO KOH FeSO K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4...Fe 2 (SO 4 ) 3 + Cr 2 (SO 4 ) K 2 SO H 2 O.AsH 3 +.AgNO 3 +. H 2 O.Ag +.H 3 AsO 3 +.HNO 3.I 2 +.HNO 3.HIO 3 +.NO +.H 2 O.FeSO 4 + H 2 O 2 +.H 2 SO 4.Fe 2 (SO 4 ) 3 +.H 2 O FeSO 4 + KMnO 4 + H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4 ) 3 + MnSO 4 + K 2 SO H 2 O CuS + HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + H 2 SO 4 + NO + H 2 O A můžeme zase trochu popojet! Pokud umíme sestavit a vyčíslit chemickou rovnici, můžeme pomocí ní vypočítávat potřebná množství látek k reakci nebo množství látky vzniklé reakcí určitého množství výchozích látek. V těchto příkladech budeme většinou uvažovat, že rozsah reakce je 100 % - že se všechny výchozí látky přemění v produkty. Abyste se zbytečně neděsili, tak nejdříve pro ilustraci, jaké příklady budeme vlastně počítat. Trojčlenku používat umíte a to je v podstatě všechno, co budete potřebovat. Představte si příklad: Z jednoho kilogramu těsta se upeče 200 housek. Kolik housek se upeče z 1,5 kg těsta? A nebo trochu komplikovaněji. Z jednoho kilogramu mouky se připraví po přidání dalších přísad (vajíček, vody, kvasnic..) těsto na výrobu 300 housek. Kolik housek se tedy vyrobí ze 2 kilogramů mouky?.. Tak vidíte, že nepůjde o nic složitého A vzhůru na první chemický příklad: Kolik gramů kyseliny chlorovodíkové je třeba k přípravě 100 g chloridu draselného? HCl + KOH KCl + H 2 O Co nám vlastně říká tato rovnice? - jedna molekula kys. chlorovodíkové reaguje právě s jednou molekulou hydroxidu draselného za vzniku 1 molekuly chloridu draselného. Jinak můžeme ale také říci, že 1 mol molekul kyseliny chlorovodíkové reaguje s jedním molem molekul hydroxidu a vzniká jeden mol molekul chloridu draselného. Případně, že 10 molů molekul kyseliny chlorovodíkové reaguje s deseti moly molekul hydroxidu a vzniká deset molů molekul chloridu draselného. (Ale velký pozor: nemůžu říci, že z jednoho gramu HCl vzniká jeden gram KCl!! Porovnáváme množství ne hmotnosti. Porovnávat můžeme ale hmotnosti převedené na jeden mol čili molární hmotnosti, které zjistíme z tabulek) Hmotnost jednoho molu HCl (m = 36,5g) reaguje přesně s hmotností jednoho molu KOH (m = 56,1g) a vzniká hmotnost jednoho molu KCl (m = 74,6g).

7 Z tohoto už se nechá velmi snadno počítat pomocí trojčlenky: z 36,5 g HCl vzniká 74,6 g KCl z x g HCl vzniká 100 g KCl a můžeme spočítat: x = ,5/74,6 = 48,9 g A nyní vypadají všechny příklady podobně: 1) Kolik gramů NaOH je třeba k přípravě 240 g NaCl? NaOH + HCl NaCl + H 2 O 2) Jak velké množství chromanu barnatého vznikne reakcí 200 g chloridu barnatého? Kolik vznikne KCl? (pozor, zde z jednoho molu chromanu vznikají 2 moly KCl) BaCl 2 + K 2 CrO 4 BaCrO KCl 3) Vypočítejte množství chromanu sodného vyrobeného z 75 kg rudy a potřebné množství uhličitanu sodného. 4 FeCr 2 O O Na 2 CO 3 8 Na 2 CrO Fe 2 O CO 2 Pozor v tomto příkladu musíme brát v úvahu, že ze čtyř molů rudy vzniká 8 molů chromanu 4) Vypočítejte hmotnost plynného amoniaku, uvolněného při zahřívání 500 g roztoku síranu amonného. Spočítejte, jaký objem tato hmotnost představuje. Jakou hmotnost hydroxidu sodného potřebujeme? (0,0 C, stand. tlak ) (NH 4 ) 2 SO 4 +2 NaOH 2 NH 3 + Na 2 SO H 2 O 5) Při zahřívání chloridu amonného s dichromanem draselným vzniká oxid chromitý. Vypočítejte množství výchozích látek pro přípravu 25,0 g Cr 2 O 3. Jaký objem N 2 se při reakci uvolní? (uvažujeme teplotu 0,0 C a tlak 1 atm ) K 2 Cr 2 O NH 4 Cl Cr 2 O 3 + N 2 +2 KCl + 4H 2 O 6) Vypočítejte objem CO 2 (stand. tlak, 0,0 C ), který připravíme reakcí 5 kg vápence a roztoku kyseliny chlorovodíkové. Jaká hmotnost chloridu vápenatého vznikne? 2 HCl + CaCO 3 CO 2 + CaCl 2 + H 2 O 7) Minium ( Pb 3 O 4 ) se v laboratoři připravuje zahříváním směsi uhličitanu olovnatého a dusičnanu draselného. Vypočítejte hmotnosti výchozích látek, jestliže má být připraveno 18,0 g Pb 3 O 4. 3 PbCO 3 + KNO 3 Pb 3 O 4 + KNO 2 + 3CO 2 8) Jakou hmotnost zinku potřebujeme pro přípravu chloridu zinečnatého o hmotnosti 50 g? Kolik na to potřebujeme kyseliny chlorovodíkové? Jaký se uvolní objem vodíku? (uvažujme stand. podmínky) Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 9) Z jakého objemu kyslíku a vodíku vznikne 10 kg vody? 2 H 2 + O 2 2 H 2 O 10) Jakou hmotnost síry získáme reakcí 36 litrů sulfanu? (Uvažujme standardní podmínky) SO H 2 S 3 S + 2 H 2 O

8 A nyní si zkusíme příklady trochu zkomplikovat. Pokud používáme v reakci roztok což je většinou, použijeme pro výpočet hmotnost roztoku s uvedeným hmotnostním zlomkem (roztok bude málokdy 100%) v úplně prvním příkladě jsme použily čistou HCl. Jak se ale změní výsledek, použijeme-li pouze HCl o w = 0,2? Spočítali jsme, že potřebujeme 48,9 g čisté HCl, toto číslo tedy představuje těch 20 %. Dopočítáme tedy pomocí trojčlenky do sta a máme výsledek. 20 % 48,9 g 100 % x x = 48,9. 100/20 = 244,5 g 20% roztoku. Zkusme tedy počítat ty samé příklady s pozměněným zadáním. 1) Kolik gramů NaOH (w = 0,6) je třeba k přípravě 240 g NaCl? NaOH + HCl NaCl + H 2 O 2) Jak velké množství chromanu barnatého vznikne reakcí 200 g roztoku (w = 0,3) chloridu barnatého? Kolik vznikne KCl? BaCl 2 + K 2 CrO 4 BaCrO KCl 3) Vypočítejte množství chromanu sodného vyrobeného ze 75 kg rudy, která obsahuje 20 % hlušiny a potřebné množství uhličitanu sodného. 4 FeCr 2 O O Na 2 CO 3 8 Na 2 CrO Fe 2 O CO 2 4) Vypočítejte hmotnost plynného amoniaku, uvolněného při zahřívání 500 g 80% roztoku síranu amonného. Spočítejte, jaký objem tato hmotnost představuje. Jakou hmotnost 60% hydroxidu sodného potřebujeme? (0,0 C, stand. tlak ) (NH 4 ) 2 SO 4 +2 NaOH 2 NH 3 + Na 2 SO H 2 O 5) Vypočítejte objem CO 2 (stand. tlak, 0,0 C ), který připravíme reakcí 5 kg vápence a 16% roztoku kyseliny chlorovodíkové. Jaká hmotnost chloridu vápenatého vznikne? 2 HCl + CaCO 3 CO 2 + CaCl 2 + H 2 O 6) Jakou hmotnost zinku potřebujeme pro přípravu chloridu zinečnatého o hmotnosti 50 g? Kolik na to potřebujeme 38% kyseliny chlorovodíkové? Jaký se uvolní objem vodíku? (uvažujme stand. podmínky) Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 7) Jaký objem 0,1 M roztoku kyseliny dusičné je třeba na neutralizaci 100 ml 0,2 M roztoku hydroxidu sodného? Kolik vznikne dusičnanu draselného? HNO 3 + NaOH NaNO 3 + H 2 O Neutralizace znamená, že kyselé vlastnosti kyseliny jsme vyrušili právě stejným množstvím hydroxidu (u dvojsytných kyselin musíme dát dvakrát tolik jednosytného hydroxidu a podobně). Čili pokud má proběhnout neutralizace musí být kyseliny a hydroxidu stejně. Z toho vycházíme při počítání. Navíc reakci neutralizace musíte umět sestavit a také správně zapsat stechiometrické koeficienty sami. 8) Jaký objem 0,05 M roztoku kyseliny sírové je třeba na neutralizaci 80 ml 0,1 M roztoku hydroxidu sodného? Kolik vznikne síranu sodného? 9) Jaký objem 0,5 M roztoku kyseliny dusičné je třeba na neutralizaci 100 ml 0,2 roztoku hydroxidu vápenatého. 10) Kolik je třeba 1,5 M roztoku kyseliny trihydrogenfosforečné na neutralizaci 200 ml 0,3 M roztoku hydroxidu sodného?