Chemia wprowadzająca – wykład i laboratorium

poprzedni rozdział wprowadził użycie symboli elementów do reprezentowania poszczególnych atomów., Kiedy Atomy zyskują lub tracą elektrony, aby uzyskać jony lub łączą się z innymi atomami, tworząc cząsteczki, ich symbole są modyfikowane lub łączone w celu wygenerowania wzorów chemicznych, które odpowiednio reprezentują te gatunki. Rozszerzenie tej symboliki na reprezentowanie zarówno tożsamości, jak i względnych ilości substancji poddawanych chemicznej (lub fizycznej) zmianie wymaga napisania i zrównoważenia równania chemicznego. Rozważmy jako przykład reakcję pomiędzy jedną cząsteczką metanu (CH4) i dwiema dwuatomowymi cząsteczkami tlenu (O2) w celu wytworzenia jednej cząsteczki dwutlenku węgla (CO2) i dwóch cząsteczek wody (H2O)., Równanie chemiczne reprezentujące ten proces przedstawiono w górnej połowie rysunku 1, z wypełniającymi przestrzeń modelami molekularnymi pokazanymi w dolnej połowie rysunku.

Ten przykład ilustruje podstawowe aspekty dowolnego równania chemicznego:

1. substancje poddawane reakcji nazywane są reaktantami, a ich wzory znajdują się po lewej stronie równania.
2. substancje powstające w wyniku reakcji nazywane są produktami, a ich wzory umieszczone są po prawej stronie równania.
3. znaki Plus ( + ) oddzielają poszczególne formuły reagentu i produktu, a strzałka (\rightarrow) oddziela reagent i produkt (lewa i prawa) strony równania.,
4. względne liczby reagentów i gatunków produktów są reprezentowane przez współczynniki (liczby umieszczone bezpośrednio po lewej stronie każdego wzoru). Współczynnik 1 jest zwykle pomijany.

powszechną praktyką jest stosowanie najmniejszych możliwych współczynników liczby całkowitej w równaniu chemicznym, Jak to ma miejsce w tym przykładzie. Należy jednak pamiętać, że współczynniki te reprezentują względną liczbę reagentów i produktów, a zatem mogą być poprawnie interpretowane jako współczynniki. Metan i tlen reagują, dając dwutlenek węgla i wodę w stosunku 1:2:1:2., Stosunek ten jest spełniony, jeśli liczby tych cząsteczek wynoszą odpowiednio 1-2-1-2 lub 2-4-2-4 lub 3-6-3-6 i tak dalej (Rysunek 2). Podobnie, współczynniki te mogą być interpretowane w odniesieniu do dowolnej ilości (liczby) jednostki, a więc to równanie może być poprawnie odczytane na wiele sposobów, w tym:

• jedna cząsteczka metanu i dwie cząsteczki tlenu reagują, dając jedną cząsteczkę dwutlenku węgla i dwie cząsteczki wody.
• jeden tuzin cząsteczek metanu i dwa tuziny cząsteczek tlenu reagują, dając tuzin cząsteczek dwutlenku węgla i dwa tuziny cząsteczek wody.,
• jeden mol cząsteczek metanu i 2 mole cząsteczek tlenu reagują, dając 1 mol cząsteczek dwutlenku węgla i 2 mole cząsteczek wody.

równania równoważące

równania równoważące mają jednakową liczbę atomów dla każdego pierwiastka biorącego udział w reakcji są reprezentowane po stronie reaktora i produktu., Jest to wymóg, który musi spełniać równanie, aby było zgodne z prawem zachowania materii. Można to potwierdzić po prostu sumując liczby atomów po obu stronach Strzałki i porównując te sumy, aby upewnić się, że są równe. Należy zauważyć, że liczba atomów dla danego pierwiastka jest obliczana przez pomnożenie współczynnika dowolnego wzoru zawierającego ten pierwiastek przez indeks dolny pierwiastka we wzorze. Jeśli element pojawia się w więcej niż jednym wzorze po danej stronie równania, liczba atomów reprezentowanych w każdym z nich musi zostać obliczona, a następnie zsumowana., Na przykład, oba gatunki produktów w przykładowej reakcji, CO2 i H2O, zawierają pierwiastek tlen, a więc liczba atomów tlenu po stronie produktu równania jest

równanie dla reakcji między metanem i tlenem, aby uzyskać dwutlenek węgla i wodę jest potwierdzone być zrównoważone w tym podejściu, jak pokazano tutaj:

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

Element	reagenty	produkty	zrównoważone?,
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., Rozważmy jako przykład rozkład wody w celu uzyskania wodoru cząsteczkowego i tlenu. Proces ten jest reprezentowany jakościowo przez niezrównoważone równanie chemiczne:

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

porównanie liczby atomów H I O po obu stronach tego równania potwierdza jego nierównowagę:

Element	reagenty	produkty	zrównoważone?,
H	1 × 2 = 2	2 = 2, tak
O	1 × 1 = 1	1 × 2 = 2	1 ≠ 2, NO

liczba atomów h po stronie reaktora i produktu równania jest równa, ale liczba atomów o nie jest. Aby osiągnąć równowagę, współczynniki równania mogą być zmieniane w razie potrzeby., Należy oczywiście pamiętać, że indeksy formula_1 definiują częściowo tożsamość substancji, a więc nie można ich zmienić bez zmiany jakościowego znaczenia równania. Na przykład zmiana wzoru reagenta z H2O na H2O2 zapewni równowagę w liczbie atomów, ale zmieni również tożsamość reagenta (jest to teraz nadtlenek wodoru, a nie woda). Równowaga atomu O może być osiągnięta przez zmianę współczynnika H2O na 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, tak

równowaga atomu h została zaburzona przez tę zmianę, ale łatwo ją przywrócić, zmieniając współczynnik dla produktu h2 na 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, tak
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, tak

te współczynniki dają równe liczby atomów H I O po stronie reaktora i produktu, a zatem zrównoważone równanie wynosi:

2{\text{h}}_{2}\text{o}\rightarrow 2{\Text{h}}_{2}+{\text{o}}_{2}

czasami wygodne jest używanie ułamków zamiast liczb całkowitych jako współczynników pośrednich w procesie równoważenia równania chemicznego., Po osiągnięciu równowagi wszystkie współczynniki równania można następnie pomnożyć przez liczbę całkowitą, aby przekształcić współczynniki ułamkowe na liczby całkowite bez zakłócania równowagi atomu.,

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

konwencjonalne zrównoważone równanie ze współczynnikami całkowitymi jest otrzymywane przez pomnożenie każdego współczynnika przez 2:

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

wreszcie w odniesieniu do równań zrównoważonych, przypomnijmy, że konwencja nakazuje użycie najmniejszych współczynników liczby całkowitej., Chociaż równanie reakcji między cząsteczkowym azotem a cząsteczkowym wodorem w celu wytworzenia amoniaku jest rzeczywiście zrównoważone,

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

współczynniki nie są najmniejszymi możliwymi liczbami całkowitymi reprezentującymi względną liczbę reagentów i cząsteczek produktu., Podzielenie każdego współczynnika przez największy wspólny współczynnik, 3, daje preferowane równanie:

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

dodatkowe informacje w równaniach chemicznych

stany fizyczne reagentów i produktów w równaniach chemicznych bardzo często są oznaczone skrótem nawiasowym po wzorach. Wspólne skróty obejmują s dla ciał stałych, l dla cieczy, g dla gazów i aq dla substancji rozpuszczonych w wodzie (roztwory wodne, jak wprowadzono w poprzednim rozdziale)., Te notacje są zilustrowane w przykładowym równaniu tutaj:

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{)}

To równanie przedstawia reakcję, która ma miejsce, gdy Metal sodu jest umieszczony w wodzie. Stały sód reaguje z ciekłą wodą, tworząc cząsteczkowy Gaz wodorowy i jonowy związek wodorotlenku sodu (ciało stałe w czystej postaci, ale łatwo rozpuszcza się w wodzie).,

specjalne warunki niezbędne do reakcji są czasami określane przez zapisanie słowa lub symbolu powyżej lub poniżej strzałki równania. Na przykład reakcja przeprowadzana przez ogrzewanie może być oznaczona wielką literą grecką delta (Δ) nad strzałką.

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

inne przykłady tych specjalnych warunków zostaną bardziej szczegółowo omówione w kolejnych rozdziałach.,

równania reakcji jonowych

biorąc pod uwagę obfitość wody na ziemi, można przypuszczać, że wiele reakcji chemicznych zachodzi w środowisku wodnym. Gdy jony biorą udział w tych reakcjach, równania chemiczne mogą być pisane z różnymi poziomami szczegółowości odpowiednimi do ich zamierzonego zastosowania. Aby to zilustrować, rozważ reakcję między związkami jonowymi zachodzącą w roztworze wodnym., Gdy wodne roztwory CaCl2 i AgNO3 są mieszane, zachodzi reakcja produkująca wodny Ca(NO3)2 i stały AgCl:

to zrównoważone równanie, wyprowadzone w zwykły sposób, nazywa się równaniem molekularnym, ponieważ nie reprezentuje wyraźnie gatunków jonowych, które są obecne w roztworze. Kiedy związki jonowe rozpuszczają się w wodzie, mogą się dysocjować do jonów składowych, które następnie są rozproszone jednorodnie w powstałym roztworze (dokładne omówienie tego ważnego procesu znajduje się w rozdziale dotyczącym roztworów)., Związki jonowe rozpuszczone w wodzie są więc bardziej realistycznie reprezentowane jako jony dysocjowane, w tym przypadku:

w przeciwieństwie do tych trzech związków jonowych, AgCl nie rozpuszcza się w wodzie w znaczącym stopniu, co oznacza jego zapis stanu fizycznego, s.

jawnie reprezentując wszystkie rozpuszczone jony, daje pełne równanie jonowe., W tym konkretnym przypadku wzory dla rozpuszczonych związków jonowych są zastępowane wzorami dla ich dysocjowanych jonów:

analiza tego równania pokazuje, że dwa gatunki chemiczne występują w identycznej postaci po obu stronach strzałki, Ca2+(aq) i {\text{NO}}_{3}{}^{-}\text {(} aq \ text {)}., ani chemicznie, ani fizycznie nie zmienione przez proces, a więc mogą zostać wyeliminowane z równania, aby uzyskać bardziej zwięzłą reprezentację zwaną równaniem jonowym netto:

zgodnie z konwencją używania najmniejszych możliwych liczb całkowitych jako współczynników, równanie to jest zapisywane:

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

to równanie jonowe netto wskazuje, że stały chlorek srebra może być wytwarzany z rozpuszczonych jonów chlorku i srebra(i), niezależnie od źródła tych jonów., Te molekularne i kompletne równania jonowe dostarczają dodatkowych informacji, a mianowicie związków jonowych stosowanych jako źródła Cl – i Ag+.

---