CHEM-A1250 Luento 3, klo Kemiallinen reaktio

Transkriptio

1 CHEM-A1250 Luento 3, klo Kemiallinen reaktio Eeva-Leena Rautama

2 Kemiallinen reaktio: kaavat, stoikiometria, reaktioyhtälöt

3 Atomimassa, atomin massa, atomin moolin massa? Atomimassa, dimensioton ( amu tai u ) Jokaisella isotoopilla omansa, yleisesti alkuaineen atomimassa luonnon isotooppien painotettu keskiarvo 1 amu on 1/12 C-12:n atomimassasta. (Luonnonhiilen atomimassa on 12,01) Atomin moolin massa, moolimassa M (g/mol) Määritelmä: 12,0 g C-12 isotooppia sisältää Avogadron vakion* arvon verran atomeja Yhden moolin massa mitä tahansa ainetta painaa sen atomimassan osoittaman luvun verran 1 mol lyijyä painaa 207,2 g, 1 mol vettä painaa 18,01 g. Molemmissa on sama määrä atomeja *6,

4 Kemialliset kaavat Antavat tietoa yhdisteen sisältämistä alkuaineista, niiden määrästä ja rakenteesta 1. Empiirinen kaava Yksinkertaisin, ilmoittaa atomien moolisuhteet Ei kerro välttämättä atomien todellisia lukumääriä, ainoastaan kokonaislukusuhteet, esim. vetyperoksidi H : O = 1 : 1 (HO) n (n = 2) natriumsulfaatti Na + : SO 4 2- = 2 : 1 (Na 2 SO 4 ) n (n = 1) Tarvitaan lähinnä, kun määritetään näytteen alkuainekoostumusta ja -massoja alkuaineanalyysillä (esim. röntgenanalyysi, erilaiset spektroskooppiset menetelmät). Tällöin tuloksena saadaan esim. näytteessä on kalsiumia ja klooria suhteissa 1:2 4

5 2. Molekyylikaava Ilmoittaa molekyylissä olevien atomien todellisen lukumäärän Alkuainekoostumuksen lisäksi tiedettävä myös molekyylimassa Esim. vetyperoksidi (HO) n n = 2 -> H 2 O 2 3. Rakennekaava Ilmoittaa, miten atomit ovat sitoutuneet molekyylissä Selvittäminen vaatii nykyaikaisia instrumenttimenetelmiä Erittäin tärkeä mutta harvoin tarvitaan reaktioyhtälöiden kirjoittamiseen 5

6 Kemiallisten kaavojen muodostaminen: Hapetusluku Kuvaa useimmiten atomin sitoutumisen tilaa yhdisteessä Merkitään roomalaisin numeroin Tarkastellaan valenssielektronien tilaa: Ionisoituneissa yhdisteissä hapetusluku on ionin varaus - Al 3+, Alumiinin hapetusluku on III - Cl -, Kloorin hapetusluku on I Vapaan alkuaineen hapetusluku on 0 - N 2, typen hapetusluku on 0 - Na (metallinen), hapetusluku on 0 Molekyylissä (kovalenttinen, ei (kat)ionisoitunut) hapetuslukujen summa on molekyylin varaus 6

7 Molekyylien hapetusasteet Neutraali molekyyli => hapetuslukujen summa = 0. Esim. hiilidioksidi CO 2 : Happi: ulkokuori [He]2s 2 2p 4 : kahden elektronin vajaus ideaalitilasta Sijainti oikeassa yläkulmassa, elektronegatiivinen alkuaine Ottaa kaksi ylimääräistä elektronia (mielummin kuin luovuttaa 6) Stabiileissa yhdisteissään happi aina -II hapetusasteella Hiili: valenssielektronit [He]2s 2 2p 2 : vastaanotto ja luovuttaminen voi vaihdella => useita eri hapetuslukuja - Molekyylin alkuaineiden hapetusasteiden määrittäminen alkaa aina selvistä tapauksista (Ryhmät happi (-II) + vety(i) + fluori (-I) - Eli CO 2 :lle: hapen hapetusluku II, hiilen x + 2 (-2) = 0 => x = 4 7

8 Varauksellinen molekyyli Jos molekyylillä on varaus (=ioni), hapetuslukujen summa = ko. varaus Tyypillisiä kovalenttisesti sitoutuneita molekyylejä, joilla varaus (=ioni): Karbonaatti-ioni CO 3 2-, Fosfaatti-ioni PO Kaksi epämetallia, jotka muodostavat keskenään kovalenttisen, varauksellisen molekyylin - Kaksi- tai useampiatomisia varauksellisia molekyylejä vain epämetalleilla Esim. hiilen hapetusluku karbonaatissa: C + 3*(-2) = -2 => C = 4 Käyttäytyvät kuin mono-ionit kemiallisessa reaktiossa - Vrt. NaCl Na + + Cl - ja CaCO3 Ca 2+ + CO 3 2- (eli ei C + O 3 tms.!) 8

9 Pohdintatehtävä Lyijyn eri yhdisteet ja niiden hapetusasteet liittyvät lyijyakun toimintaan. Mikä on lyijyn hapetusaste lyijydioksidissa PbO 2? Akkuhappo on rikkihappoa H 2 SO 4, joka on vesiliuoksessa muodossa H + ja SO Mikä on rikin (S) hapetusaste sulfaattiionissa SO 4 2-? 9

10 Ratkaisu PbO 2 : Pb = 0 => Pb = 4 => Lyijyn hapetusaste on IV SO 4 2- : S = -2 => S = 6 => Rikin hapetusaste on VI 10

11 Kemiallisten kaavojen muodostaminen Tietoa hapetusluvusta tarvitaan usein kemiallisen kaavan kirjoittamiseen Aloitus elektropositiivisimmalla alkuaineella Yhdiste viittaa konkreettisesti esiintyvään kemialliseen kaavaan, l. se on varaukseton Esim. magnesium ja happi muodostavat yhdisteen Mg on aina +II, happi aina II: MgO Esim. natrium ja happi muodostavat yhdisteen Na aina +I, happi aina II: Na 2 O 11

12 Epäorgaanisten yhdisteiden nimeämisestä Yhdisteissä elektropositiivisempi ensin. Elektronegatiivisimmalle alisteinen idi-pääte (ja latinapohjainen runkonimi Esim. happi (O, oxygenis) => oksidi MgO: magnesiumoksidi (vrt. magnesium oxide) Esim. rikille (S, sulphuris) => sulfidi CuS: kuparisulfidi (vrt. copper sulphide) Anioni saa aatti päätteen ja latinapohjaisen alkuainenimen CO 3 2- : karbonaatti-ioni (C, carbo) vrt. carbonate ion Karbonaatti-ioni CO 3 2- ja natrium-ioni Na + muodostavat natriumkarbonaatin Na 2 CO 3 12

13 Atomien lukumäärä ilmoitetaan tarvittaessa mono-, di-, triym. etuliitteillä (jos alkuaineen hapetusluku voi vaihdella) Na 2 O: dinatiriumoksidi tai natriumoksidi, ei eroa (koska Na:lla vain yksi hap.aste) Fe 2 O 3 : dirautatrioksidi tai rautaoksidi: on eroa! Jälkimmäinen voi olla myös FeO tai Fe 3 O 4, koska raudalla useita stabiileja hapetusasteita Vaihtoehtoisesti yhdiste ilmoitetaan antamalla hapetusluku roomalaisin numeroin nimessä Fe 2 O 3 : dirautatrioksidi tai Rauta(III)oksidi FeO : rautamonoksidi tai rauta(ii)oksidi Toiset käyttävät myös triviaalinimiä: Fe 2 O 3 on hematiitti, Fe 3 O 4 on magnetiitti 13

14 Case rautaoksidi FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 - rautamonoksidi: FeO (rauta(ii)oksidi) - dirauta-trioksidi: Fe 2 O 3 (rauta(iii)oksidi) - trirauta-tetroksidi: Fe 3 O 4 (rauta(ii,iii)oksidi) Kaikilla erilaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet, mm. magneettisuus, liukoisuus, väri 14

15 Reaktioyhtälö Lyhennetty esitys siitä, mitä kemiallisessa reaktiossa tapahtuu Kemiallisessa reaktiossa tapahtuu aina atomien uudelleen järjestäytymistä; sidoksia katkeaa ja uusia muodostuu Merkitään: Lähtöaineet Tuotteet Lähtöaineet Tuotteet (jos ns. tasapainoreaktio) Nähdään: Reaktioon osallistuvien komponenttien moolisuhteet (stoikiometria) 15

16 Reaktioyhtälön vaatimukset 1. Oltava yhtäpitävä kokeellisten tulosten kanssa 2. Kummallakin puolella oltava yhtä monta kunkin alkuaineen atomia (yhtälö tasapainotettu atomien suhteen) 3. Sähkövarausten summien oltava yhtä suuret yhtälön kummallakin puolella (yhtälö tasapainotettu sähkövarausten suhteen) 4. Yleensä näkyviin kirjoitetaan vain reaktioon osallistuvat komponentit 5. Aineen fysikaalinen olotila voidaan kirjoittaa kemiallisen kaavan perään sulkuihin: (g), (l), (s), (aq) 16

17 6. Nestemäiset ja kiinteät alkuaineet esitetään yleensä 1-atomisina (pääosin metallit). Muilla esiintymismuto, esim. Br 2, I 2, P 4 7. Kaasumaiset alkuaineet 2-atomisina, eli kuinka esiintyvät: H 2, O 2, N 2, Cl 2, F 2 8. Esitetään pienimmät mahdolliset määrät aineita niin, että pyritään kokonaislukukertoimiin. Kertoimet kuvaavat reagoivien aineiden ainemäärien suhteita 9. Reaktioyhtälöitä voidaan käsitellä algebrallisten yhtälöiden tavoin: - samoja termejä voidaan supistaa yhtälön kummaltakin puolelta - yhtälöitä voidaan laskea puolittain yhteen (jos ilmiö sen sallii!) 17

18 Pelkkä reaktioyhtälö ei kerro: Reaktionopeutta (kinetiikka) Meneekö reaktio loppuun Yleensä olosuhteita, joissa reaktio tapahtuu (p, T, ym.) Reaktiomekanismia 18

19 Esimerkkejä: muodostus ja tasapainotus Vety(kaasu) reagoi hapen (kaasu) kanssa muodostaen vettä H 2 + O 2 -> H 2 O, tuotteiden puolella vajausta hapesta => H 2 + O 2 -> 2H 2 O, tuotteiden puolella ylimäärä vetyä => 2H 2 + O 2 -> 2H 2 O Metallinen sinkki liukenee suolahappoon (HCl) ja muodostaa sinkkikloridia ZnCl 2 ja vetyä (aina kaasu) Zn + HCl -> ZnCl 2 + H 2 Zn + 2HCl -> ZnCl 2 + H 2 Halutessaan perään voi kirjoittaa olomuodon, esim. O 2 (g), HCl (l), Zn (s).. 19

20 Eli tiedämme: Kuinka paljon 100 % suolahappoa tarvitsemme minimissään liuottamaan tietyn määrän puhdasta (100 %) sinkkiä. Mutta emme tiedä: Kuinka nopeasti sinkki liukenee Tarvitseeko reaktio lämpöä tai esim. korotettua painetta tapahtuakseen Onko reaktiossa välivaihe, joka ei ilmene tästä esityksestä, tai haittaavatko muodostuvat reaktiotuotteet liukenemista Liukeneeko sinkki täydellisesti 20

21 Peräkkäiset reaktiot Rikki S ja happi O reagoivat rikkidioksidiksi SO 2 ja edelleen rikkitrioksidiksi SO 3 S + O 2 -> SO 2 Peräkkäinen tapahtuma, voidaan laskea SO 2 + O 2 -> SO 3 puolittain yhteen (jos tarpeen). S + O 2 -> SO 2 x2 2 SO 2 + O 2 -> 2 SO 3 => 2S + 3O 2 -> 2SO 3 21

22 Rinnakkaiset reaktiot Seos kupari(i)oksidia Cu 2 O ja kupari(ii)oksidia CuO reagoi vetyvirrassa metalliseksi kupariksi. Erilliset reaktiot (reaktio tapahtuu molemmille yhdisteille mutta eri moolisuhteissa ja yleensä hieman eri aikaan), ei voi laskea yhteen. Cu 2 O + H 2 -> 2 Cu + H 2 O CuO + H 2 -> Cu + H 2 O 22

23 Stoikiometria reaktiossa = Kemiallisten reaktioyhtälöiden ilmoittamien kvantitatiivisten riippuvuuksien tutkiminen (nimi: stoikheion = alkuaine) Ainemäärä (n) Kemiallisissa reaktioissa atomit, molekyylit ja ionit reagoivat keskenään tietyissä kokonaislukusuhteissa -> reagoivien osasten lukumäärä on havainnollisempi suure kuin niiden massa Ainemäärä on suure, joka ilmoittaa kulloinkin tarkasteltavana olevan osasen (atomi, molekyyli, ioni, elektroni, jne.) lukumäärän Ainemäärän yksikkö on mooli (mol) 23

24 Yksi mooli mitä tahansa ainetta sisältää aina saman määrän osasia määrä = Avogadron vakion osoittama lukumäärä Yhden moolin massa mitä tahansa ainetta on kyseisen aineen suhteellisen atomi-, molekyyli- tai kaavamassan osoittama lukuarvo grammoina n = mm MM yksiköt: m: g M: g/mol n: mol Mooli kupari(i)oksidia Cu 2 O sisältää 2 moolia kuparia ja 1 moolia happea 10 g Cu 2 O sisältää 10 g/(2 63,55+15,99)g/mol = 0,0699 mol Cu 2 O:a, joka sisältää 0,1398 mol Cu:a ja 0,0699 mol O:a Tarkistetaan: 0,1398 mol 63,55 g/mol + 0,0699 mol 15,99 g/mol = 10,002 g 24

25 Esimerkki 1. Rautaa voidaan valmistaa pelkistämällä rautaoksidia hiilellä seuraavan tasapainottamattoman reaktioyhtälön mukaisesti. Kuinka monta kg hiiltä tarvitaan valmistettaessa 500 kg rautaa? Fe 2 O 3 + C -> Fe + CO 2 Fe 2 O 3 + 1,5 C -> 2 Fe + 1,5 CO 2 / x 2 2 Fe 2 O C -> 4 Fe + 3 CO 2 M Fe = 55,85 g/mol n Fe = 500 kg = 8,95 kmol 55,85 g/mol 25

26 2 Fe 2 O C -> 4 Fe + 3 CO 2 Hiilen ainemäärä: n C = ¾ n Fe = ¾ 8,95 kmol = 6,71 kmol Hiilen massa: (M C = 12,01 g/mol) m C = n M = 6,71 kmol 12,01 kg/kmol = 80,60 kg 26

27 Reaktioita kaikkialla ja pyytämättä Alkalikiviainesreaktio = Alkalikarbonaatti- ja alkalisilikaattireaktio 27

28 Tutustutaan betoniin! Betoni: sementti + runko- ja lisäaineet (runko: kivi, hiekka, sora) Betonin muodostuminen on kemiallinen prosessi Sementti: CaCO 3 + SiO 2, Fe 2 O 3, Al 2 O 3 :a sisältäviä kivilajeja, joissa myös osuuksia K ja Na Kuumennetaan -> CaCO 3 -> CaO + CO 2 Jäähdytetään: muodostuu esim. Ca 2 SiO 4 (2CaO SiO 2 ) ( sementtikivi ) Sementti reagoi kovettumisvaiheessa veden kanssa: CaO + H 2 O -> Ca(OH) 2 => Betonin ph on n. 13, suojaa teräsraudoitusta korroosiolta Mutta: betonilla on parasta ennen päivä, koska kemialliset reaktiot jatkuvat 28

29 Alkalireaktiot Tarkoittavat, että aineet reagoivat kemiallisesti keskenään ja tuottavat emäksisiä (eli ph >> 7) yhdisteitä Alkuaineiden säännönmukaista käyttäytymistä, eli kaikki metallioksidit (= heikosti elektronegatiivisten alkuaineiden oksidit) muodostavat veden kanssa alkaliliuoksia vrt. epämetallioksidit muodostavat happamia liuostuotteita Erittäin alkalisia reaktioita tuottavat alkali- ja maaalkalimetallit (Ryhmät I ja II) CaO + H 2 O -> Ca(OH) 2 Na 2 O + H 2 O -> NaOH; K 2 O + H 2 O -> KOH Näitä kaikkia on siis betonissa 29

30 Betonin karbonaatio: Alkalikarbonaattireaktio Ajan kanssa ilman hiilidioksidi ja kosteat olosuhteet tuottavat ongelmia CO 2 + H 2 O -> CO OH - Ca(OH) 2 + CO > CaCO 3 ( kalkki ) + H 2 O Sementti karbonoituu, emäksinen (alkalinen) suoja katoaa ja uusi reaktiotuote rikkoo betonin yhtenäistä rakennetta Reaktiopinta-alaa tulee lisää, CO 2 ja vesi tunkeutuvat syvemmälle, reaktio jatkuu.. 30

31 Silikaattireaktiot: Alkalisilikaattireaktio Puolimetallioksidit (esim. SiO 2 ) reagoivat voimakkaasti veden kanssa muodostaen neutraaleja tuotteita, kuten silikaatteja (jotka edelleen reagoivat alkalisten yhdisteiden ja veden kanssa) SiO 2 + H 2 O -> Si(OH) 4 <-> H 4 SiO 4 H 4 SiO 4 + 2Na(OH) -> Na 2 H 2 SiO 4 nh 2 O H 4 SiO 4 + Ca(OH) 2 -> CaH 2 SiO 4 nh 2 O Betonin hydrataatiotuotteita => kuluvat ja vähentävät entisestään betonin korroosiosuojaa Viskooseja geelejä, jotka tunkeutuvat välitiloihin ja turpoavat => rikkovat heikentynyttä rakennetta 31

32 Ensi luennolla Rajoittava tekijä kemiallisessa reaktiossa Laskuesimerkkejä 32