Chimica introduttiva – Lecture & Lab

Il capitolo precedente introdusse l’uso dei simboli degli elementi per rappresentare i singoli atomi., Quando gli atomi guadagnano o perdono elettroni per produrre ioni, o si combinano con altri atomi per formare molecole, i loro simboli vengono modificati o combinati per generare formule chimiche che rappresentano in modo appropriato queste specie. Estendere questo simbolismo per rappresentare sia le identità che le quantità relative di sostanze che subiscono un cambiamento chimico (o fisico) comporta la scrittura e il bilanciamento di un’equazione chimica. Si consideri ad esempio la reazione tra una molecola di metano (CH4) e due molecole di ossigeno biatomico (O2) per produrre una molecola di anidride carbonica (CO2) e due molecole di acqua (H2O)., L’equazione chimica che rappresenta questo processo è fornita nella metà superiore della figura 1, con modelli molecolari di riempimento dello spazio mostrati nella metà inferiore della figura.

Questo esempio illustra gli aspetti fondamentali di qualsiasi equazione chimica:

1. Le sostanze sottoposte a reazione sono chiamate reagenti e le loro formule sono posizionate sul lato sinistro dell’equazione.
2. Le sostanze generate dalla reazione sono chiamate prodotti e le loro formule sono posizionate sulla giusta vista dell’equazione.
3. I segni più (+) separano le singole formule del reagente e del prodotto e una freccia (\rightarrow) separa i lati del reagente e del prodotto (sinistro e destro) dell’equazione.,
4. I numeri relativi delle specie reagenti e prodotti sono rappresentati da coefficienti (numeri posti immediatamente a sinistra di ogni formula). Un coefficiente di 1 è in genere omesso.

È pratica comune usare i più piccoli coefficienti di numero intero possibili in un’equazione chimica, come si fa in questo esempio. Renditi conto, tuttavia, che questi coefficienti rappresentano il numero relativo di reagenti e prodotti e, pertanto, possono essere correttamente interpretati come rapporti. Metano e ossigeno reagiscono per produrre anidride carbonica e acqua in un rapporto 1:2:1:2., Questo rapporto è soddisfatto se i numeri di queste molecole sono, rispettivamente, 1-2-1-2 o 2-4-2-4 o 3-6-3-6 e così via (Figura 2). Allo stesso modo, questi coefficienti possono essere interpretati in relazione a qualsiasi unità di quantità (numero), e quindi questa equazione può essere letta correttamente in molti modi, tra cui:

• Una molecola di metano e due molecole di ossigeno reagiscono per produrre una molecola di anidride carbonica e due molecole di acqua.
• Una dozzina di molecole di metano e due dozzine di molecole di ossigeno reagiscono per produrre una dozzina di molecole di anidride carbonica e due dozzine di molecole di acqua.,
• Una mole di molecole di metano e 2 moli di molecole di ossigeno reagiscono per produrre 1 mole di molecole di anidride carbonica e 2 moli di molecole di acqua.

Equazioni di bilanciamento

Una sostanza chimica bilanciata è equazione ha un numero uguale di atomi per ogni elemento coinvolto nella reazione sono rappresentati sui lati reagente e prodotto., Questo è un requisito che l’equazione deve soddisfare per essere coerente con la legge di conservazione della materia. Può essere confermato semplicemente sommando il numero di atomi su entrambi i lati della freccia e confrontando queste somme per assicurarsi che siano uguali. Si noti che il numero di atomi per un dato elemento viene calcolato moltiplicando il coefficiente di qualsiasi formula contenente quell’elemento per il pedice dell’elemento nella formula. Se un elemento appare in più di una formula su un dato lato dell’equazione, il numero di atomi rappresentati in ciascuno deve essere calcolato e quindi aggiunto insieme., Per esempio, sia di prodotto che di specie nell’esempio di reazione, CO2 e H2O, contengono l’elemento di ossigeno, e quindi il numero di atomi di ossigeno sul prodotto lato dell’equazione è

L’equazione della reazione tra metano e ossigeno per produrre anidride carbonica e l’acqua è confermato essere bilanciato in base a questo approccio, come indicato di seguito:

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

Elemento	Reagenti	Prodotti	Bilanciato?,
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., Si consideri ad esempio la decomposizione dell’acqua per produrre idrogeno molecolare e ossigeno. Questo processo è rappresentato qualitativamente da uno squilibrio chimico equazione:

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

Confrontare il numero di atomi di H e O su entrambi i lati di questa equazione conferma il suo squilibrio:

Elemento	Reagenti	Prodotti	Bilanciato?,
H	1 × 2 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, sì
O	1 × 1 = 1	1 × 2 = 2	1 ≠ 2, no

I numeri di atomi di H a reagente e prodotto i lati dell’equazione sono uguali, ma i numeri di atomi di O non lo sono. Per raggiungere l’equilibrio, i coefficienti dell’equazione possono essere modificati secondo necessità., Tenete a mente, naturalmente, che i pedici formula definiscono, in parte, l’identità della sostanza, e quindi questi non possono essere modificati senza alterare il significato qualitativo dell’equazione. Ad esempio, cambiare la formula del reagente da H2O a H2O2 produrrebbe equilibrio nel numero di atomi, ma così facendo cambia anche l’identità del reagente (ora è perossido di idrogeno e non acqua). L’equilibrio dell’atomo O può essere raggiunto cambiando il coefficiente per H2O a 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, no
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, sì

L’atomo H equilibrio è stato sconvolto da questo cambiamento, ma è facilmente ristabilita modificando il coefficiente per l’H2 prodotto per 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, sì
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, sì

Questi coefficienti di rendimento pari numero di atomi di H e O a reagente e prodotto i lati, e l’equazione bilanciata è, dunque:

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

a volte è conveniente utilizzare frazioni invece di interi coefficienti intermedi nel processo di bilanciamento di una equazione chimica., Quando l’equilibrio è raggiunto, tutti i coefficienti dell’equazione possono quindi essere moltiplicati per un numero intero per convertire i coefficienti frazionari in numeri interi senza sconvolgere l’equilibrio dell’atomo., \displaystyle\frac{7}{2} , viene invece utilizzato per produrre un provvisorio equazione bilanciata:

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

Un convenzionale equazione bilanciata con interi solo i coefficienti è ottenuto moltiplicando ciascun coefficiente da 2:

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

Infine, per quanto riguarda equilibrata equazioni, si ricorda che la convenzione stabilisce di utilizzare il più piccolo numero intero coefficienti., Anche se l’equazione della reazione tra azoto molecolare e idrogeno molecolare per produrre ammoniaca è, infatti, equilibrato,

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

i coefficienti non sono le più piccole possibili di numeri interi che rappresentano i relativi numeri di reagente e prodotto molecole., La divisione di ogni coefficiente del più grande fattore comune, 3, dà il preferito equazione:

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

Ulteriori Informazioni in Equazioni Chimiche

Gli stati fisici di reagenti e prodotti chimici equazioni che molto spesso vengono indicati con l’abbreviazione tra parentesi seguenti formule. Le abbreviazioni comuni includono s per i solidi, l per i liquidi, g per i gas e aq per le sostanze disciolte in acqua (soluzioni acquose, come introdotto nel capitolo precedente)., Queste notazioni sono illustrati nell’esempio di equazione qui:

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{)}

Questa equazione rappresenta la reazione che avviene quando il sodio metallico è messo in acqua. Il sodio solido reagisce con acqua liquida per produrre gas idrogeno molecolare e l’idrossido di sodio composto ionico (un solido in forma pura, ma facilmente disciolto in acqua).,

Le condizioni speciali necessarie per una reazione sono talvolta designate scrivendo una parola o un simbolo sopra o sotto la freccia dell’equazione. Ad esempio, una reazione effettuata mediante riscaldamento può essere indicata dalla lettera greca maiuscola delta (Δ) sopra la freccia.

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

Altri esempi di queste particolari condizioni si sarà verificato in modo più approfondito nei capitoli successivi.,

Equazioni per le reazioni ioniche

Data l’abbondanza di acqua sulla terra, è ovvio che molte reazioni chimiche avvengono in mezzi acquosi. Quando gli ioni sono coinvolti in queste reazioni, le equazioni chimiche possono essere scritte con vari livelli di dettaglio appropriati al loro uso previsto. Per illustrare questo, si consideri una reazione tra composti ionici che avvengono in una soluzione acquosa., Quando si mescolano soluzioni acquose di CaCl2 e AgNO3, avviene una reazione che produce Ca acquoso (NO3) 2 e AgCl solido:

Questa equazione bilanciata, derivata nel solito modo, è chiamata equazione molecolare, perché non rappresenta esplicitamente le specie ioniche presenti in soluzione. Quando i composti ionici si dissolvono in acqua, possono dissociarsi nei loro ioni costituenti, che vengono successivamente dispersi omogeneamente in tutta la soluzione risultante (una discussione approfondita di questo importante processo è fornita nel capitolo sulle soluzioni)., Composti ionici disciolti in acqua sono, quindi, più realisticamente rappresentati come dissociato in ioni, in questo caso:

a Differenza di questi tre composti ionici, AgCl non si scioglie in acqua, in misura significativa, come indicato dal suo stato fisico, notazione, s.

Esplicitamente in rappresentanza di tutti ioni disciolti risultati in un completo equazione ionica., In questo caso particolare, le formule per i composti ionici disciolti sono sostituite da formule per i loro ioni dissociati:

L’esame di questa equazione mostra che due specie chimiche sono presenti in forma identica su entrambi i lati della freccia, Ca2+(aq) e {\text {NO}}_{3}{}^{-}\testo {(} aq \ text {)}., né chimicamente né fisicamente modificati dal processo, e quindi possono essere eliminati dall’equazione del rendimento di un più sintetica rappresentazione chiamata equazione ionica netta:

di Seguito la convenzione di utilizzare il più possibile interi come coefficienti, questa equazione è scritto:

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

Questa equazione ionica netta indica che solido cloruro di argento può essere prodotto disciolto e cloruro di argento(I) ioni, a prescindere dall’origine di questi ioni., Queste equazioni ioniche molecolari e complete forniscono ulteriori informazioni, vale a dire i composti ionici utilizzati come fonti di Cl– e Ag+.

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