inleidende Scheikunde-lezing & Lab

het vorige hoofdstuk introduceerde het gebruik van elementsymbolen om individuele atomen voor te stellen., Wanneer atomen elektronen winnen of verliezen om ionen op te leveren, of combineren met andere atomen om moleculen te vormen, worden hun symbolen gewijzigd of gecombineerd om chemische formules te genereren die deze soorten op de juiste wijze vertegenwoordigen. Het uitbreiden van deze symboliek om zowel de identiteiten als de relatieve hoeveelheden stoffen die een chemische (of fysische) verandering ondergaan weer te geven, impliceert het schrijven en balanceren van een chemische vergelijking. Beschouw als voorbeeld de reactie tussen één methaanmolecuul (CH4) en twee diatomaire zuurstofmoleculen (O2) om één koolstofdioxidemolecule (CO2) en twee watermoleculen (H2O) te produceren., De chemische vergelijking die dit proces vertegenwoordigt wordt verstrekt in de bovenste helft van Figuur 1, met ruimtevullende moleculaire modellen getoond in de onderste helft van de figuur.

dit voorbeeld illustreert de fundamentele aspecten van elke chemische vergelijking:

1. de stoffen die een reactie ondergaan worden reactanten genoemd en hun formules worden aan de linkerkant van de vergelijking geplaatst.
2. de stoffen die door de reactie worden gegenereerd worden producten genoemd, en hun formules worden op het juiste zicht van de vergelijking geplaatst.
3. Plus tekens ( + ) scheiden individuele reactant en productformules, en een pijl (\rightarrow) scheidt de reactant en product (linker en rechter) zijden van de vergelijking.,
4. de relatieve aantallen reactanten en productsoorten worden weergegeven door coëfficiënten (aantallen die onmiddellijk links van elke formule worden geplaatst). Een coëfficiënt van 1 wordt meestal weggelaten.

het is gebruikelijk om de kleinst mogelijke geheelgetal coëfficiënten in een chemische vergelijking te gebruiken, zoals in dit voorbeeld wordt gedaan. Besef echter dat deze coëfficiënten de relatieve aantallen reagentia en producten vertegenwoordigen, en daarom kunnen ze correct worden geïnterpreteerd als verhoudingen. Methaan en zuurstof reageren om kooldioxide en water te produceren in een 1:2:1: 2 verhouding., Aan deze verhouding is voldaan als de aantallen van deze moleculen respectievelijk 1-2-1-2, of 2-4-2-4, of 3-6-3-6, enzovoort zijn (figuur 2). Evenzo kunnen deze coëfficiënten worden geïnterpreteerd met betrekking tot elke hoeveelheid (aantal) eenheid, en dus kan deze vergelijking op vele manieren correct worden gelezen, met inbegrip van:

• Een methaanmolecuul en twee zuurstofmoleculen reageren op een koolstofdioxidemolecuul en twee watermoleculen.
• een dozijn methaanmoleculen en twee dozijn zuurstofmoleculen reageren op een dozijn koolstofdioxidemoleculen en twee dozijn watermoleculen.,
• 1 mol methaanmoleculen en 2 mol zuurstofmoleculen reageren om 1 mol koolstofdioxidemoleculen en 2 mol watermoleculen te produceren.

Balanceringsvergelijkingen

een gebalanceerde chemische vergelijking heeft gelijke aantallen atomen voor elk element dat betrokken is bij de reactie worden weergegeven op de reactant en productzijde., Dit is een vereiste waaraan de vergelijking moet voldoen om in overeenstemming te zijn met de wet van behoud van materie. Het kan worden bevestigd door simpelweg het aantal atomen aan weerszijden van de pijl op te tellen en deze sommen te vergelijken om ervoor te zorgen dat ze gelijk zijn. Merk op dat het aantal atomen voor een bepaald element wordt berekend door de coëfficiënt van een formule die dat element bevat te vermenigvuldigen met de subscript van het element in de formule. Als een element in meer dan één formule aan een bepaalde kant van de vergelijking voorkomt, moet het aantal atomen dat in elke formule wordt vertegenwoordigd, worden berekend en vervolgens bij elkaar worden opgeteld., Bijvoorbeeld, zowel de product soorten in het voorbeeld reactie, CO2 en H2O bevatten het element zuurstof, en dus het aantal zuurstofatomen op de product kant van de vergelijking is

de vergelijking voor De reactie tussen methaan en zuurstof te geven koolstofdioxide en water is bevestigd te worden afgewogen volgens deze aanpak, zoals hier wordt getoond:

{\text{CH}}_{4}+2{\text{O}}_{2}\rightarrow{\text{CO}}_{2}+2{\text{H}}_{2}\text{O}

– Element	Reactanten	Producten	Evenwichtig?,
C	1 × 1 = 1	1 × 1 = 1	1 = 1, yes
H	4 × 1 = 4	2 × 2 = 4	4 = 4, yes
O	2 × 2 = 4	(1 × 2) + (2 × 1) = 4	4 = 4, yes

A balanced chemical equation often may be derived from a qualitative description of some chemical reaction by a fairly simple approach known as balancing by inspection., Beschouw als voorbeeld de afbraak van water om moleculaire waterstof en zuurstof op te leveren. Dit proces wordt vertegenwoordigd kwalitatief door een onevenwichtige chemische vergelijking:

{\text{H}}_{2}\text{O}\rightarrow{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}\text{(unbalanced)}

het Vergelijken van het aantal H en O atomen aan beide zijden van deze vergelijking bevestigt haar onbalans:

– Element	Reactanten	Producten	Evenwichtig?,
H	1 × 2 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, ja
O	1 × 1 = 1	1 × 2 = 2	1 ≠ 2, geen

de nummers van De H-atomen op de reactieve en product zijden van de vergelijking gelijk zijn, maar de nummers van de O atomen niet. Om evenwicht te bereiken, kunnen de coëfficiënten van de vergelijking worden gewijzigd indien nodig., Houd er natuurlijk rekening mee dat de formulesubscripten gedeeltelijk de identiteit van de stof bepalen, en dus kunnen deze niet worden gewijzigd zonder de kwalitatieve betekenis van de vergelijking te veranderen. Bijvoorbeeld, het veranderen van de reactantformule van H2O naar H2O2 zou evenwicht in het aantal atomen opleveren, maar dit verandert ook de identiteit van de reactant (het is nu waterstofperoxide en niet water). De O-atoombalans kan worden bereikt door de coëfficiënt voor H2O te wijzigen in 2.,

\mathbf{2}\text{H}_{2}\text{O}\rightarrow{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}\text{(unbalanced)}

Element	Reactants	Products	Balanced?,
H	2 × 2 = 4	1 × 2 = 2	4 ≠ 2, geen
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, ja

Het H-atoom evenwicht werd verstoord door dit veranderen, maar het is gemakkelijk hersteld door het veranderen van de coëfficiënt voor de H2 product 2.,

2{\text{H}}_{2}\text{O}\rightarrow\mathbf{2}{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}\text{(balanced)}

Element	Reactants	Products	Balanced?,r>	H	2 × 2 = 4	2 × 2 = 2	4 = 4, ja
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, ja

Deze coëfficiënten opbrengst gelijke aantallen van beide H en O atomen op de reactieve en product zijden, en de evenwichtige vergelijking is dus:

2{\text{H}}_{2}\text{O}\rightarrow 2{\text{H}}_{2}+{\text{O}}_{2}

Het is soms handig om het gebruik van breuken in plaats van gehele getallen als intermediair coëfficiënten in het proces van afweging van een chemische reactie., Wanneer het saldo wordt bereikt, kunnen alle coëfficiënten van de vergelijking dan met een geheel getal worden vermenigvuldigd om de fractionele coëfficiënten in gehele getallen om te zetten zonder de atoombalans te verstoren., \displaystyle\frac{7}{2} van de plaats wordt gebruikt om de opbrengst van een voorlopige evenwichtige vergelijking:

{\text{C}}_{2}{\text{H}}_{6}+\frac{7}{2}{\text{O}}_{2}\rightarrow 3{\text{H}}_{2}\text{O}+2{\text{CO}}_{2}

Een conventionele evenwichtige vergelijking met geheel getal, alleen-coëfficiënten is afgeleid door vermenigvuldiging van elk coëfficiënt 2:

2{\text{C}}_{2}{\text{H}}_{6}+7{\tekst{O}}_{2}\rightarrow 6{\text{H}}_{2}\text{O}+4{\text{CO}}_{2}

tot slot, met betrekking tot een evenwichtige vergelijkingen, herinneren dat de conventie schrijft voor het gebruik van de kleinste gehele getal coëfficiënten., Hoewel de vergelijking voor de reactie tussen moleculaire stikstof en moleculaire waterstof om ammoniak te produceren inderdaad evenwichtig is, is

3 {\text{N}}_{2}+9{\text{H}}_{2} \ rightarrow 6 {\text{NH}}_{3}

de coëfficiënten zijn niet de kleinst mogelijke gehele getallen die de relatieve aantallen reactieve en productmoleculen vertegenwoordigen., Elke coëfficiënt delen door de grootste gemeenschappelijke factor, 3, geeft de voorkeursvergelijking:

{\text{N}}_{2}+3{\text{H}}_{2} \ rightarrow 2 {\text{NH}}_{3}

aanvullende informatie in chemische vergelijkingen

de fysische toestanden van reagentia en producten in chemische vergelijkingen worden zeer vaak aangegeven met een haakjes na de formules. Veel voorkomende afkortingen zijn s voor vaste stoffen, l voor vloeistoffen, g voor gassen en aq voor stoffen opgelost in water (waterige oplossingen, zoals in het vorige hoofdstuk geïntroduceerd)., Deze notaties worden hier geïllustreerd in de voorbeeldvergelijking:

2\text{na(}s\text{)}+2{\text{H}}_{2}\text{O(}l\text{)}\rightarrow 2\text{NaOH(}aq\text{)}+{\text{h}}_{2}\text{(}g\text{)}

deze vergelijking vertegenwoordigt de reactie die plaatsvindt wanneer natriummetaal in water wordt geplaatst. Het vaste natrium reageert met vloeibaar water om moleculair waterstofgas te produceren en de ionische verbinding natriumhydroxide (een vaste stof in zuivere vorm, maar gemakkelijk opgelost in water).,

speciale voorwaarden die nodig zijn voor een reactie worden soms aangeduid door een woord of symbool boven of onder de pijl van de vergelijking te schrijven. Bijvoorbeeld, een reactie uitgevoerd door verwarming kan worden aangegeven door de hoofdletter Griekse letter delta (Δ) over de pijl.

{\text{CaCO}}_{3}\text{(}s\text{)}\stackrel{\Delta}{\rightarrow}\text{CaO(}s\text{)}+{\text{CO}}_{2}\text{(}g\text{)}

andere voorbeelden van deze bijzondere voorwaarden zullen in latere hoofdstukken dieper worden behandeld.,

vergelijkingen voor Ionische reacties

gezien de aanwezigheid van water op aarde, is het logisch dat veel chemische reacties plaatsvinden in waterige media. Wanneer ionen betrokken zijn bij deze reacties, kunnen de chemische vergelijkingen worden geschreven met verschillende niveaus van detail passend bij het beoogde gebruik. Om dit te illustreren, overweeg een reactie tussen ionverbindingen die in een waterige oplossing plaatsvinden., Wanneer waterige oplossingen van CaCl2 en AgNO3 worden gemengd, vindt een reactie plaats die waterige Ca(NO3)2 en vaste AgCl produceert:

deze Gebalanceerde vergelijking, afgeleid op de gebruikelijke wijze, wordt een moleculaire vergelijking genoemd, omdat het niet expliciet de Ionische species voorstelt die in oplossing aanwezig zijn. Wanneer ionverbindingen in water oplossen, kunnen zij zich scheiden in hun samenstellende ionen, die vervolgens homogeen door de resulterende oplossing worden gedispergeerd (een grondige bespreking van dit belangrijke proces wordt gegeven in het hoofdstuk over oplossingen)., In water opgeloste ionverbindingen worden daarom realistischer weergegeven als gedissocieerde ionen, in dit geval:

In tegenstelling tot deze drie ionverbindingen Lost AgCl niet in belangrijke mate op in water, zoals blijkt uit de notatie van de fysische toestand, s.

die expliciet alle opgeloste ionen vertegenwoordigt, resulteert in een complete ionvergelijking., In dit specifieke geval worden de formules voor de opgeloste ionverbindingen vervangen door formules voor hun gedissocieerde ionen:

onderzoek van deze vergelijking toont aan dat twee chemische soorten in identieke vorm aanwezig zijn aan beide zijden van de pijl, Ca2+(aq) en {\text{NO}}_{3}{}^{-}\text {(} aq \ text{)}., noch chemisch noch fysiek veranderd door het proces, en dus kunnen ze worden verwijderd uit de vergelijking van de opbrengst van een meer compacte representatie, een zogenaamde netto-ionogene vergelijking:

Na de overeenkomst van het gebruik van de kleinst mogelijke gehele getallen als coëfficiënten, deze vergelijking is geschreven:

{\text{Cl}}^{\text{-}}\text{(}aq\text{)}+{\text{Ag}}^{+}\text{(}aq\text{)}\rightarrow\text{AgCl(}s\text{)}

Deze netto-ionogene vergelijking geeft aan dat massief zilver chloride kan worden geproduceerd uit opgelost chloride en zilver(I) ionen, ongeacht de bron van deze ionen., Deze moleculaire en complete ionvergelijkingen geven extra informatie, namelijk de ionverbindingen die worden gebruikt als bronnen van CL-en Ag+.

---