inledande Kemi – föreläsning & Lab

det föregående kapitlet introducerade användningen av elementsymboler för att representera enskilda atomer., När atomer får eller förlorar elektroner för att ge joner, eller kombinera med andra atomer för att bilda molekyler, ändras eller kombineras deras symboler för att generera kemiska formler som på lämpligt sätt representerar dessa arter. Att utvidga denna symbolik till att representera både identiteter och relativa mängder av ämnen som genomgår en kemisk (eller fysisk) förändring innebär att skriva och balansera en kemisk ekvation. Betrakta som ett exempel reaktionen mellan en metanmolekyl (CH4) och två diatomiska syremolekyler (O2) för att producera en koldioxidmolekyl (CO2) och två vattenmolekyler (H2O)., Den kemiska ekvationen som representerar denna process tillhandahålls i den övre halvan av Figur 1, med rymdfyllningsmolekylmodeller som visas i den nedre halvan av figuren.

detta exempel illustrerar de grundläggande aspekterna av någon kemisk ekvation:

1. de ämnen som genomgår reaktion kallas reaktanter, och deras formler placeras på vänster sida av ekvationen.
2. de ämnen som genereras av reaktionen kallas produkter, och deras formler placeras på ekvationens högra syn.
3. Plus tecken (+) separata individuella reaktant och produktformler, och en pil (\rightarrow) separerar reaktant och produkt (vänster och höger) sidor av ekvationen.,
4. Det relativa antalet reaktanter och produktarter representeras av koefficienter (siffror placerade omedelbart till vänster om varje formel). En koefficient på 1 utelämnas typiskt.

det är vanligt att använda de minsta möjliga heltalskoefficienterna i en kemisk ekvation, vilket görs i detta exempel. Inse dock att dessa koefficienter representerar det relativa antalet reaktanter och produkter, och därför kan de tolkas korrekt som förhållanden. Metan och syre reagerar för att ge koldioxid och vatten i ett förhållande 1:2:1:2., Detta förhållande är uppfyllt om siffrorna för dessa molekyler är 1-2-1-2 eller 2-4-2-4 eller 3-6-3-6 och så vidare (Figur 2). På samma sätt kan dessa koefficienter tolkas med avseende på vilken mängd (antal) enhet som helst, och så kan denna ekvation läsas korrekt på många sätt, inklusive:

• en metanmolekyl och två syremolekyler reagerar för att ge en koldioxidmolekyl och två vattenmolekyler.
• ett dussin metanmolekyler och två dussin syremolekyler reagerar för att ge ett dussin koldioxidmolekyler och två dussin vattenmolekyler.,
• en mol metanmolekyler och 2 mol syremolekyler reagerar för att ge 1 mol koldioxidmolekyler och 2 mol vattenmolekyler.

Balanseringsekvationer

en balanserad kemikalie är ekvation har lika många atomer för varje element som är involverade i reaktionen representeras på reaktanten och produktsidorna., Detta är ett krav som ekvationen måste uppfylla för att vara förenlig med lagen om bevarande av materia. Det kan bekräftas genom att helt enkelt summera antalet atomer på vardera sidan av pilen och jämföra dessa summor för att säkerställa att de är lika. Observera att antalet atomer för ett givet element beräknas genom att multiplicera koefficienten för vilken formel som helst som innehåller det elementet med elementets prenumeration i formeln. Om ett element visas i mer än en formel på en given sida av ekvationen, måste antalet atomer som representeras i var och en beräknas och sedan läggas ihop., Till exempel innehåller båda produktarterna i exemplet reaktion, CO2 och H2O, elementet syre, och så antalet syreatomer på produktsidan av ekvationen är

ekvationen för reaktionen mellan metan och syre för att ge koldioxid och vatten bekräftas vara balanserad per detta tillvägagångssätt, som visas här:

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

Element	reaktanter	produkter	balanserad?,
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., Betrakta som ett exempel nedbrytningen av vatten för att ge molekylärt väte och syre. Denna process representeras kvalitativt av en obalanserad kemisk ekvation:

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

att jämföra antalet h-och O-atomer på vardera sidan av denna ekvation bekräftar dess obalans:

Element	reaktanter	produkter	balanserad?,
H	1 × 2 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, ja
O	1 × 1 = 1	1 × 2 = 2	1 2, Nej

antalet h-atomer på reaktanten och produktsidorna i ekvationen är lika, men antalet o-atomer är inte. För att uppnå balans kan ekvationens koefficienter ändras efter behov., Tänk naturligtvis på att formeln subscripts delvis definierar ämnets identitet, och så kan dessa inte ändras utan att ändra ekvationens kvalitativa betydelse. Till exempel skulle byte av reaktantformeln från H2O till H2O2 ge balans i antalet atomer, men det förändrar också reaktantens identitet (det är nu väteperoxid och inte vatten). O-atombalansen kan uppnås genom att ändra koefficienten för H2O till 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, Nej
O	2 × 1 = 2	1 × 2 = 2	2 = 2, ja

h-atombalansen var upprörd av denna förändring, men det är lätt att återupprätta genom att ändra koefficienten för h2-produkten till 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

dessa koefficienter ger lika många av både h-och O-atomer på reaktanten och produktsidorna, och den balanserade ekvationen är därför:

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

det är ibland bekvämt att använda fraktioner istället för fraktioner.heltal som mellanliggande koefficienter i processen att balansera en kemisk ekvation., När balans uppnås kan alla ekvationens koefficienter multipliceras med ett heltal för att omvandla fraktionskoefficienterna till heltal utan att störa atombalansen., \displaystyle\frac{7}{2} , används istället för att ge en provisorisk balanserad ekvation:

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

en konventionell balanserad ekvation med heltal-bara koefficienter härleds genom att multiplicera varje koefficient med 2:

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

slutligen när det gäller balanserade ekvationer, minns att konventionen dikterar användningen av de minsta heltalskoefficienterna., Även om ekvationen för reaktionen mellan molekylärt kväve och molekylärt väte för att producera ammoniak är balanserad,

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

koefficienterna är inte de minsta möjliga heltal som representerar det relativa antalet reaktant-och produktmolekyler., Dividera varje koefficient med den största gemensamma faktorn, 3, ger den föredragna ekvationen:

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

ytterligare Information i kemiska ekvationer

de fysiska tillstånden för reaktanter och produkter i kemiska ekvationer anges ofta med en parentetisk förkortning enligt formlerna. Vanliga förkortningar inkluderar s för fasta ämnen, l för vätskor, g för gaser och aq för ämnen upplösta i vatten (vattenhaltiga lösningar, som infördes i föregående kapitel)., Dessa noteringar illustreras i exempelekvationen här:

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{)}

denna ekvation representerar den reaktion som tar emot placera när natriummetall placeras i vatten. Det fasta natrium reagerar med flytande vatten för att producera molekylär vätgas och den joniska föreningen natriumhydroxid (en fast substans i ren form, men lätt upplöst i vatten).,

särskilda villkor som är nödvändiga för en reaktion betecknas ibland genom att skriva ett ord eller en symbol ovanför eller under ekvationens pil. Till exempel kan en reaktion som utförs genom uppvärmning indikeras av det stora grekiska bokstaven delta (Δ) över pilen.

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

andra exempel på dessa särskilda villkor kommer att uppstå mer ingående i senare kapitel.,

ekvationer för Joniska reaktioner

Med tanke på överflöd av vatten på jorden, står det för att många kemiska reaktioner äger rum i vattenhaltiga medier. När joner är involverade i dessa reaktioner kan de kemiska ekvationerna skrivas med olika detaljnivåer som är lämpliga för deras avsedda användning. För att illustrera detta, överväga en reaktion mellan joniska föreningar som äger rum i en vattenhaltig lösning., När vattenlösningar av CaCl2 och AgNO3 blandas, sker en reaktion som producerar vattenhaltig Ca (NO3)2 och fast AgCl:

denna balanserade ekvation, härledd på vanligt sätt, kallas en molekylär ekvation, eftersom den inte uttryckligen representerar de joniska arter som finns i lösning. När jonföreningar löses upp i vatten kan de dissociera i sina beståndsdelar, vilka därefter sprids homogent genom den resulterande lösningen (en grundlig diskussion om denna viktiga process finns i kapitlet om lösningar)., Jonföreningar upplösta i vatten är därför mer realistiskt representerade som dissocierade joner, i detta fall:

Till skillnad från dessa tre joniska föreningar löses AgCl inte upp i vatten i betydande utsträckning, vilket framgår av dess fysiska tillståndsnotation, s.

som uttryckligen representerar alla upplösta joner resulterar i en fullständig jonekvation., I detta speciella fall ersätts formlerna för de upplösta jonföreningarna med formler för deras dissocierade joner:

genom att undersöka denna ekvation visar att två kemiska arter är närvarande i identisk form på båda sidor av pilen, Ca2+(aq) och {\text{NO}}_{3}{}^{-}\text {(} aq \ text {)}., varken kemiskt eller fysiskt ändras av processen, och så kan de elimineras från ekvationen för att ge en mer kortfattad representation som kallas en net jonisk ekvation:

Efter konventionen att använda minsta möjliga heltal som koefficienter skrivs denna ekvation sedan:

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

denna nettojoniska ekvation indikerar att fast silverklorid kan framställas från lösta klorid-och silverjoner(i), oavsett källan till dessa joner., Dessa molekylära och kompletta Joniska ekvationer ger ytterligare information, nämligen de joniska föreningarna som används som källor till CL– och Ag+.

---