Obliczenia chemiczne - Notatki - Chemia - Część 1, Notatki'z Chemia. University of Podlasie in Siedlce
hannibal00
hannibal008 March 2013

Obliczenia chemiczne - Notatki - Chemia - Część 1, Notatki'z Chemia. University of Podlasie in Siedlce

PDF (617.0 KB)
11 strona
610Liczba odwiedzin
Opis
Notatki dotyczące tematów z dziedziny chemii: obliczenia chemiczne; sposoby, PH.
20punkty
Punkty pobierania niezbędne do pobrania
tego dokumentu
Pobierz dokument
Podgląd3 strony / 11
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.

Obliczenia chemiczne

W zasadzie trudno powiedzieć, że istnieje coś takiego jak specyfika obliczeń

chemicznych. Wszelkie obliczenia dotyczące zjawisk chemicznych mają taką samą

naturę jak wszelkie pozostałe i należą do matematyki i rachunków a nie do chemii.

Istnieje jednak parę szczególnie często dokonywanych obliczeń, które mamy

zazwyczaj na myśli mówiąc o obliczeniach chemicznych. Dotyczą one głównie

obliczeń związanych ze stężeniami roztworów, ilościowym przebiegiem reakcji

chemicznych czy składem pierwiastkowym substancji. Do obliczeń tych wystarczy

oczywiście odrobina wiedzy chemicznej i inteligencji, a podane dalej zasady i

sposoby maja jedynie ułatwić wykonywanie tych najpopularniejszych działań

rachunkowych w chemii.

Do sprawnego dokonywania obliczeń chemicznych, prócz tej podstawowej wiedzy

matematyczno-rachunkowej, potrzebna jest też odpowiednia ilość wiadomości

czysto chemicznych (np. o przebiegu danej reakcji) jak i dobra znajomość praw i

definicji - szczególnie tych, dotyczących stężeń, rozpuszczalności, elektrolitów,

szybkości reakcji itp.

Ponieważ większość obliczeń można przeprowadzić w różny sposób - czasem

rzeczą dość istotną jest umiejętność przeprowadzenia ich w sposób jak najkrótszy.

Z jednej strony pozwala to zmniejszyć prawdopodobieństwo pomyłki (im mniej

operacji tym łatwiej zapanować nad całością), z drugiej zaś oszczędza czas - co

przy obliczeniach często wykonywanych jest nie bez znaczenia. Dobrym

przykładem (wartym od razu zapamiętania) jest obliczanie stężeń w trakcie

rozcieńczania. Rozpatrzmy następujący przykład:

Jak z roztworu o stężeniu 0,125 mol/l otrzymać 25 ml roztworu o stężeniu

0,025 mol/l.

Sposób klasyczny:

roztwór o stężeniu 0,025 mola/l zawiera 0,025 mola w 1000 ml, zatem w 25 ml

musi zawierać:

(0,025/1000)·25 = 0,000625 mola

wyjściowy roztwór ma stężenie 0,125 M, czyli w 1000 ml zawiera 0,125 mola; my

potrzebujemy do uzyskania nowego roztworu 0,000625 mola, czyli musimy wziąć

z roztworu wyjściowego:

w 1000 ml jest 0,125 mola; w 1 ml jest zatem 0,125/1000 = 0,000125 mola

my potrzebujemy 0,000625 mola , czyli 0,000625/0,000125 = 5 razy więcej, a więc

5 ml

docsity.com

Należy pobrać 5 ml roztworu wyjściowego i rozcieńczyć rozpuszczalnikiem do

objętości 25 ml.

Sposób uproszczony:

korzystamy z prostej, łatwej do zapamiętania zależności c1V1 = c2V2 , gdzie c

oznacza stężenie roztworu, V - jego objętość a indeksy 1 i 2 oznaczają odpowiednio

roztwór wyjściowy i roztwór końcowy. Z zależności tej łatwo wyznaczyć nie tylko

V1 (ile wziąć roztworu wyjściowego - jak w naszym przykładowym zadaniu) ale

również każdą z pozostałych wartości. Można zatem jedną zależność wykorzystać

do prostego rozwiązywania aż czterech typów problemów związanych z

rozcieńczeniami. Proszę również zauważyć, że gdybyśmy nie wiedzieli co oznacza

pojęcie stężenie molowe (co nigdy nie ma prawa się zdarzyć!!) to i tak poprawnie

rozwiążemy nasz przykładowy problem:

Należy pobrać 5 ml roztworu wyjściowego i rozcieńczyć rozpuszczalnikiem do

objętości 25 ml.

Stężenia roztworów wyrażamy w różnych jednostkach, ze względu na to, że ich (stężeń) wyrażanie służy różnym celom. Nie ma sensu przedstawiać stężenia w jednostkach

molarności (ilość moli w 1 l roztworu) jeżeli podawana wartość stężenia ma służyć określeniu

ilości (masy) jakiejś substancji w produkcie. Oczywiście zawsze można przeliczyć wartość

stężenia z jednych jednostek na inne (np. z moli/l na mg/g) ale wymaga to dokonania

pewnych, nie zawsze prostych obliczeń, a czasem też znajomości dodatkowych parametrów

(np. masy cząsteczkowej). Natomiast podając stężenia konieczne dla przeprowadzenia

zaplanowanej reakcji, nie podajemy ich np. w procentach lecz w mol/l, bowiem te jednostki

są proporcjonalne do ilości reagujących cząsteczek i pozwalają szybko zorientować się w

przebiegu reakcji. Tak więc znajomość różnych sposobów przedstawiania stężeń, ich definicji

i sposobów przeliczania jest podstawową umiejętnością, którą musi posiąść każdy, kto z

chemią w jakiejkolwiek odmianie i zakresie ma mieć styczność.

Generalnie pod pojęciem stężenia rozumiemy ilość substancji rozpuszczonej w określonej

ilości (najczęściej objętości) roztworu - ale bywają odstępstwa od tej reguły. Należy pamiętać,

docsity.com

że stężenie podajemy w zasadzie jedynie dla roztworów, czyli tylko dla układów w których

substancja rozproszona (rozpuszczona) jest idealnie jednostajnie rozproszona w całej

objętości roztworu. Oznacza to, że stężenia każdej, dowolnej objętości roztworu, pobranej z

dowolnego miejsca jest takie samo jak stężenie całego roztworu. Tak więc klasycznego

pojęcia stężenia nie powinniśmy używać w przypadku zawiesin, mieszanin niehomogennych i

innych układów nie spełniających warunku homogenności w czasie i przestrzeni.

Czasami roztworów i innych układów homogennych używamy w celu zmniejszenia błędu

dozowania. Wyobraźmy sobie, że w procesie technologicznym musimy do wyrobu dodać 0,1

mg substancji zapachowej. Odważenie takiej ilości lotnej substancji wymaga odpowiedniej

wagi, doświadczenia - a i wtedy nie jesteśmy wolni od ryzyka dużego błędu. Jeżeli substancja

zapachowa występuje w postaci 0,01% roztworu w odpowiednim rozpuszczalniku, zamiast

ważyć mikroilości odważamy 1 g roztworu, lub, po prostym przeliczeniu, odmierzamy pipetą

odpowiednią objętość (około 1 ml) redukując popełnienie błędu do minimum.

PH

Rozwiązując problemy związane z pH roztworu elektrolitu należy mieć na względzie przede

wszystkim dwie sprawy:.

Po pierwsze należy pamiętać, że roztwór obojętny to taki, który zawiera równe stężenia

jonów wodorowych (hydroniowych) i wodorotlenowych. Ponieważ najczęściej

rozpatrywane roztwory to roztwory wodne w temperaturze 25°C, przyzwyczailiśmy się

uważać, że roztwór obojętny ma pH=7, bo tak jest w tym najczęściej spotykanym

przypadku. Nie należy jednak nigdy zapominać, że prawdziwym wyznacznikiem obojętności

roztworu jest wspomniana równość ilości jonów H + i OH

- .

Drugi pewnik to iloczyn jonowy wody. Ponieważ iloczyn ten ma stałą wartość w stałej

temperaturze (10 -14

w temp. 25°C), zatem zmiana stężenia jonu hydroniowego (np. przez

dodanie do roztworu pewnej ilości silnego kwasu) automatycznie powoduje odpowiednią

zmianę w roztworze (w tym przypadku spadek stężenia jonów hydroksylowych), tak by

iloczyn ich nowych stężeń znów dał stałą wartość 10 -14

. W roztworach wodnych o innej

temperaturze niż 25°C wartość ta będzie nieco większa (w wyższych temperaturach) lub

nieco mniejsza (w temperaturach niższych).

Jeżeli przyjmiemy, że iloczyn jonowy wody wynosi 10 -14

(nie zapominając jednak o

poczynionych wyżej zastrzeżeniach), możemy bez trudu wyznaczyć stężenie jonów

wodorotlenowych w danym roztworze, znając wartość stężenia jonów wodorowych i vice

versa. Dla celów praktycznych pH najczęściej obliczamy korzystając z klasycznej definicji

Sørensena, prawdziwej dla niezbyt stężonych roztworów (a z takimi najczęściej mamy do

czynienia):

pH = -log [H + ]

stężenie jonów wodorowych wyrażamy w jednostkach stężenia molowego. Do obliczenia

stężenia jonów wodorowych na podstawie wartości pH i odwrotnie potrzebować najczęściej

będziemy kalkulatora z możliwością przeliczania logarytmów. W wielu jednak przypadkach

wystarczy nam podstawowa znajomość właściwości logarytmów dziesiętnych:

docsity.com

log 1 = 0

log 10 = 1

log 10 n = n

(w przypadku pH n najczęściej będzie ujemne, dlatego wprowadziliśmy w definicji pH

wartość minus przed logarytmem, by wartości pH były liczbami dodatnimi. Prowadzi to

czasem do nieporozumień, bo wyższe stężenie jonów wodorowych to niższa liczbowo

wartość pH. Bardziej kwaśny jest roztwór o pH=1 - stężenie 0,1 mol/l, niż roztwór o pH=3 -

stężenie 0,001 mol/l).

Rozwiązując zadania dotyczące obliczania pH należy, jak już wspomnieliśmy, pamiętać

również o iloczynie jonowym wody - szczególnie wtedy gdy np. rozcieńczając roztwór

kwaśny zbliżamy się do pH = 7. W przypadku stężeń kwasów i zasad bliskich wartości 10 -7

mol/l (a więc pH bliskiego 7) woda staje się dodatkowym kwasem (bo odłącza H + ) lub zasadą

(bo odłącza OH - ) wpływającą na sumaryczne stężenie jonów wodorowych w roztworze. Jej

wpływ występuje również w przypadku wyższych stężeń roztworu, wtedy jednak jest tak

nikły w porównaniu ze stężeniem roztworu, że praktycznie nie wpływa na jego pH, i proces

dysocjacji wody w obliczeniach można pominąć.

W życiu codziennym, szczególnie zaś w interesującej nas dziedzinie kosmetyki, pojawiają się

określenia "współczynnik pH" w odniesieniu do układów niejednorodnych, nie

zdefiniowanych, takich jak: skóra, jama ustna, szampon, krem itp. Pamiętając, że

współczynnik pH to pochodna stężenia - a więc odnosi się wyłącznie do roztworów, tak więc

mówienie o pH skóry czy kremu jest pewnym nadużyciem. Trzeba jednak przyznać, że choć

takie używanie współczynnika pH nie jest zgodne z jego zdefiniowaną wartością, to dla celów

czysto praktycznych jest dość wygodne i zapewne dlatego pojawił się w reklamach i opisach

kosmetyków. Dla każdego, nawet nie mającego pojęcia o chemii, zestawienie: skóra ma pH

5,5 i krem czy szampon ma pH 5,5 będzie się kojarzyć pozytywnie, jako pożądana zgodność.

O ile stosowanie takiego nieprecyzyjnego określenia w reklamie możemy jeszcze tolerować,

o tyle w opisach kosmetyków, technologii, kontroli jakości już nie. W tych przypadkach

należy dokładnie określić co rozumiemy i jak mamy mierzyć pH skóry, szamponu czy kremu.

Może to być pomiar bezpośredni np. kremu jako emulsji O/W - oznaczać będzie wówczas pH

wodnej fazy ciągłej emulsji, lub może oznaczać pH fazy rozproszonej w układach W/O lub

pH wodnego ekstraktu (wówczas trzeba dokładnie podać przepis jego przygotowania). W

przypadku skóry może oznaczać pH warstewki potu na skórze (też ważne w jakich warunkach

mierzone i w jakim stanie fizjologii), pH roztworu powstałego przez zwilżenie skóry wodą

lub pH roztworu powstałego przez spłukanie skóry wodą - wtedy ważna będzie wielkość

opłukanej powierzchni i ilość wody do tego użyta. Natomiast jest dla nas oczywistym, że

określenie "pH skóry" to olbrzymi skrót myślowy, i bez bliższego sformułowania o co w nim

chodzi nie ma żadnej wartości naukowej technicznej czy analitycznej.

A. Jakie jest pH treści żołądka, jeżeli na zmiareczkowanie (zobojętnienie) 10 ml tej treści

zużyto 2,5 ml 0,001 M roztworu ługu sodowego ?

Rozwiązanie:

0,001 M roztwór NaOH zawiera w 1000 ml 0,001 mola NaOH, zatem w 2,5 ml będzie

zawierał:

docsity.com

(0,001/1000)·2,5 = 2,5·10 -6

mola.

Oznacza to, że taka sama ilość jonów wodorowych była zawarta w 10 ml treści żołądkowej.

Zatem w 1000 ml tej treści zawartość jonów wodorowych wynosi 100 razy więcej, tzn.

2,5·10 -4

mola. Jest to jednocześnie wartość stężenia molowego jonów H + w badanej treści

żołądkowej. Zatem pH badanej próbki wynosi lg( 2,5·10 -4

)=3,6

Bez dokładnego wyznaczania wartości logarytmu można oszacować wartość pH płynu

żołądkowego - ponieważ wartość liczby logarytmowanej (2,5·10 -4)

jest zawarta w przedziale

<10 -3

;10 -4

> to wartość logarytmu dziesiętnego wzięta z odwrotnym znakiem będzie zawarta

w przedziale <3;4>

B. Jakie będzie pH roztworu kwasu solnego powstałego przez 100-krotne rozcieńczenie

roztworu o stężeniu HCl równym 10 -5

?

Rozwiązanie:

Przy mechanicznym podejściu do problemu można stwierdzić, że stężenie po 100-krotnym

rozcieńczeniu będzie 100-krotnie niższe, czyli wyniesie 10 -5

/100 = 10 -7

. W praktyce

oznaczałoby to, że kwas po rozcieńczeniu daje nam obojętny roztwór kwasu solnego!! To ta

pułapka, na którą zwracałem uwagę powyżej - nie uwzględniliśmy dysocjacji wody i jej

iloczynu jonowego.

Spójrzmy na problem nieco szerzej. W roztworze, uwzględniając dysocjację wody, będą

znajdować się aniony hydroksylowe (o stężeniu x) oraz aniony chlorkowe (o stężeniu takim

jak kwasu solnego tzn. 10 -7

). W roztworze musi być dokładnie tyle samo dodatnich ładunków

kationów co ujemnych ładunków anionów. Anionów mamy (10 -7

+ x), zatem tyle samo jest

jonów wodorowych (bo tylko takie kationy są w naszym roztworze). Jednocześnie iloczyn

stężeń jonów wodorowych i wodorotlenowych musi wynosić 10 -14

(iloczyn jonowy wody).

Możemy zatem napisać:

[H + ][OH

- ]=(10

-7 + xx

[H + ][OH

- ] = 10

-14

zatem: (10 -7

+ xx = 10 -14

co po rozwinięciu daje: x 2 + 10

-7 x - 10

-14 = 0

czyli równanie kwadratowe, gdzie

niewiadoma x to stężenie jonów wodorotlenowych. Zatem stężenie jonów wodorowych

wyniesie 10 -14

/x, a pH = -lg (10 -14

/x).

Zatem należy teraz tylko rozwiązać równanie kwadratowe:

 = b 2 - 4ac = (10

-7 )

2 - 4(- 10

-14 ) = 10

-14 + 4·10

-14 = 5·10

-14

z obliczenia drugiego pierwiastka równania rezygnujemy, bo miałby on wartość ujemną, co

nie ma sensu fizycznego (stężenie nie może być ujemne).

docsity.com

pH = -lg (10 -14

/0,618·10 -7

) = -(lg 1,6·10 -7

) = 6,8

Zgodnie z naszymi przewidywaniami roztwór jest już bardzo słabo kwaśny, ale nie

obojętny!!.

prawo rozcieńczeń Ostwalda

Prawo rozcieńczeń Ostwalda pozwala nam obliczać stałą dysocjacji na podstawie znajomości

stopnia dysocjacji i vice versa. Ponieważ wzory obliczeniowe są różne, w zależności od tego

na ile jonów dysocjuje konkretny elektrolit, łatwiej (i sensowniej) jest zapamiętać metodę

wyprowadzania tych zależności niż pamiętać poszczególne wzory. Najczęściej jest tak, że

pamiętamy jeden - najczęściej stosowany - wzór obliczania stałej dysocjacji na podstawie

stopnia dysocjacji dla elektrolitów dysocjujących na dwa jony. Jest to przypadek najczęstszy

w praktyce chemika, zaś w przypadku natknięcia się na problem dotyczący elektrolitu o

innym składzie, przypominamy sobie zasadę i samodzielnie ad hoc wyprowadzamy

konkretny wzór.

Przypomnijmy: stopień dysocjacji to stosunek ilości cząsteczek zdysocjowanych do całkowitej ilości

cząsteczek rozpuszczonych w danym roztworze (dla roztworu słabego elektrolitu).

stała dysocjacji to wartość ułamka zawierającego w liczniku iloczyn stężeń jonów,

powstałych z dysocjacji słabego elektrolitu, a w mianowniku stężenie części

niezdysocjowanej elektrolitu.

Jeżeli stałą dysocjacji elektrolitu dysocjującego na dwa jony wyraża wzór:

to łącząc te dwa wzory, i określając stężenie części niezdysocjowanej (mianownik ułamka)

jako różnicę stężenia całkowitego c i części zdysocjowanej c, możemy napisać:

Zatem dla słabego elektrolitu dysocjującego na dwa jony zależność między stałą dysocjacji K

a stopniem dysocjacji  opisuje wzór:

docsity.com

Dla obliczenia stopnia dysocjacji na podstawie znajomości stałej dysocjacji (problem o

mniejszym znaczeniu) musimy rozwiązać równanie kwadratowe, którego pierwiastkiem jest

wartość .

Dla przypadku elektrolitu dysocjującego na trzy jony (np. octan ołowiu) stężenie anionu będzie dwa razy większe

niż kationu i wzór przybierze postać

co w konsekwencji, po przekształceniach da wynik

(pod warunkiem, że oba stopnie dysocjacji są identyczne)

Wyznaczmy stałą dysocjacji kwasu octowego, jeżeli stopień dysocjacji w roztworze o

stężeniu 0,01 molowym wynosi 4%.

Podstawiając do wzoru c = 0,01,  = 0,04 otrzymujemy:

REAKCJE CHEMICZNE

Obliczenia związane z przebiegiem reakcji chemicznych dotyczą najczęściej wydajności

reakcji, szybkości jej przebiegu - a dokładniej czasu trwania reakcji, oraz wpływu różnych

czynników na końcowy skład mieszaniny reakcyjnej.

Ponieważ praktycznie każdy skład początkowy substratów może przechodzić w produkty w

wyniku kilku różnie przebiegających reakcji, skład końcowy mieszaniny reakcyjnej jest

zawsze mieszaniną różnych produktów. Zawartość w tej mieszaninie produktu pożądanego

wyznacza nam wydajność danej reakcji w danych warunkach. Wydajność reakcji określamy

jako stosunek ilości uzyskanej oczekiwanego produktu do ilości teoretycznie możliwej do

uzyskania (wynikającej z obliczeń stechiometrycznych).

docsity.com

O ile w reakcjach jednokierunkowych, przebiegających tylko od substratów do produktów,

możemy jedynie obliczyć wydajność, mając najczęściej niewielki wpływ na jej wartość, o

tyle w reakcjach odwracalnych mamy dość spory wpływ na skład końcowy mieszaniny

reakcyjnej. Reakcje takie charakteryzuje stan dynamicznej równowagi ustalający się po

pewnym czasie od zapoczątkowania reakcji. Polega on na tym, że w stanie równowagi obie

reakcje: ta zainicjowana przez nas substraty produkty, jak i samorzutnie biegnąca reakcja

odwrotna produkty substraty, przebiegają z tą samą szybkością, co powoduje, że ilości

produktów i substratów pozostają niezmienne. Jeżeli jednak zakłócimy tę równowagę w

odpowiedni sposób możemy uzyskać większa ilość interesującego nas produktu.

Drugim, obok wydajności, interesującym nas parametrem reakcji jest jej szybkość, czas

trwania. Jeżeli reakcja przebiega nawet z dużą wydajnością np. 90%, ale czas potrzebny na jej

zakończenie wynosi 24 godziny, chętniej zapewne wykorzystamy inną reakcję do otrzymania

tego samego produktu, nawet z mniejszą wydajnością np.70%, ale w czasie 1 godziny.

Zagadnieniami związanymi z przebiegiem reakcji, jej dynamiką zajmuje się dział chemii

fizycznej zwany kinetyką.

Wydajność reakcji określamy jako stosunek, najczęściej podawany w procentach, ilości

praktycznie otrzymanego produktu do ilości możliwej teoretycznie do otrzymania w danej

reakcji. Ilość teoretyczną obliczamy na podstawie równania reakcji i ilości substratów

wziętych do reakcji. Jeżeli wzięte do reakcji substraty nie są zgodne ze stechiometrycznym

(ilościowym) zapisem reakcji, teoretyczną wydajność obliczamy oczywiście na podstawie

ilości tego substratu, który jest w niedomiarze. Jeżeli weźmiemy pod uwagę reakcję

nitrowania benzenu:

to z zapisu tej reakcji wynika, że z każdego mola benzenu (78 g) pod wpływem równoważnej

ilości moli kwasu azotowego(V) (1 mol to 63 g) możemy teoretycznie otrzymać mol

nitrobenzenu (123 g).

Jeżeli w wyniku przeprowadzonej reakcji otrzymywania nitrobenzenu przez nitrowanie 780 g

benzenu (10 moli) nadmiarem mieszaniny nitrującej (mieszanina stężonego kwasu

docsity.com

azotowego(V) i stężonego kwasu siarkowego(VI), odgrywającego tu rolę katalizatora)

otrzymano 1000 g nitrobenzenu, to wydajność reakcji obliczamy następująco:

1. z 10 moli benzenu i nadmiaru mieszaniny nitrującej powinniśmy otrzymać 10 moli

nitrobenzenu (wniosek z zapisu równania reakcji)

2. 10 moli nitrobenzenu to 10·123 g = 1230 g i tyle powinniśmy w tej reakcji otrzymać

3. otrzymano w praktyce tylko 1000 g nitrobenzenu, więc wydajność reakcji wyniosła

(1000/1230)·100 = 81,3%

Aby móc racjonalnie wpływać na równowagę reakcji odwracalnych, i tym samym zwiększać

udział pożądanego produktu w mieszaninie reakcyjnej, musimy znać stałą równowagi reakcji.

Stałą tę możemy znaleźć w odpowiednich tablicach, lub możemy wyznaczyć samodzielnie.

Samodzielne wyznaczanie stałej równowagi polega na przeprowadzeniu reakcji ze znana

ilością substratów i określenie zawartości poszczególnych substratów i produktów w

mieszaninie poreakcyjnej w momencie uzyskania równowagi. Jeżeli dla reakcji:

w stanie równowagi stężenia poszczególnych substancji wyniosą: A - 1 M; B - 1,5 M; C -

1,5 M a D - 2 M, to stałą równowagi wyznaczymy z równania na stałą, podstawiając

odpowiednie dane:

Pamiętajmy, że stała równowagi dotyczy określonego kierunku reakcji, i ten kierunek należy

podać wraz ze stałą. Jeżeli dla reakcji A + B ——> C + D K=2, tak jak w naszym

przykładzie, to dla reakcji C + D ——> A + B stała ma wartość odwrotność poprzedniej

i wynosi K=0,5 (ze względu na zamianę ról, teraz to C i D są substratami a A i B produktami,

w liczniku pojawią się A i B a w mianowniku C i D). Możemy więc mówić o stałej reakcji

estryfikacji (tworzenie estru z alkoholu i kwasu) lub o stałej reakcji hydrolizy estru (rozpad

estru na alkohol i kwas pod wpływem wody), mimo, że w momencie równowagi reakcje te są

równoważne, dają taki sam układ mieszaniny reakcyjnej.

Jeżeli teraz chcemy uzyskać większa ilość produktu C, to możemy doprowadzić do tego

zwiększając ilość substancji A lub B (lub obu jednocześnie). Ponieważ spowoduje to wzrost

wartości mianownika, aby stała pozostała stała będzie musiała także wzrosnąć odpowiednio

wartość licznika, czyli w praktyce zawartość C i D. Podobny efekt praktyczny możemy

otrzymać usuwając ze środowiska reakcji substancję D. Wówczas maleje nam licznik i aby

powrócić do opisanej wzorem wartości stałej będzie musiał zmaleć mianownik (przereagują

A i B dając dodatkowe ilości C i D) z jednoczesnym wzrostem licznika. Oczywiście

posługiwanie się określeniami że coś "spowoduje wzrost wartości licznika, to musi także

wzrosnąć licznik" itp. to duże skróty myślowe, ale myślę, że wybaczalne w tej sytuacji i

nikogo nie wprowadzą w błąd. Opis zgodny z prawdą byłby zbyt złożony i pewnie bardziej

docsity.com

niezrozumiały: Jeżeli teraz dodamy do mieszaniny reakcyjnej substancję A lub B, to

spowoduje to wzrost ich stężenia i zachwianie równowagi reakcji. Reakcja przebiegnie

w kierunku tworzenia substancji C i D i trwać będzie tak długo, aż spadek stężenia A i B i

jednoczesny wzrost stężenia C i D doprowadzą do sytuacji, kiedy iloczyny stężeń produktów

i substratów będą spełniały równanie na wartość stałej reakcji.

Szybkość reakcji w danych warunkach zależy od stężenia substratów. Ponieważ w czasie

przebiegu reakcji stężenie substratu ulega zmniejszaniu w sposób ciągły, możemy mówić o

konkretnej wartości szybkości reakcji tylko w danej chwili, bo już w chwili następnej

szybkość ta będzie mniejsza. Posługiwanie się wartością szybkości reakcji jest więc z

praktycznego punktu widzenia pozbawione sensu. Z drugiej jednak strony intuicyjnie

wyczuwamy, że jedne reakcje przebiegają generalnie szybciej, z większą dynamiką

(np. wybuchowe spalanie metanu) a inne, choć o podobnym charakterze, o wiele spokojniej,

"wolniej" - np. utlenianie papieru na powietrzu. Do porównywania takiej dynamiki różnych

reakcji służy nam stała szybkości reakcji. Jej wartość określa szybkość danej reakcji w

warunkach standaryzowanych, tzn. w przypadku gdy wszystkie substraty występują w

stężeniu jednostkowym. Ponieważ stężenia substratów porównywanych reakcji są takie same

to wartości ich szybkości w tych warunkach (wartości stałych reakcji) odzwierciedlają

dynamikę tych reakcji i pozwalają na porównania i wyciąganie wniosków.

Dla celów praktycznych dość często stosujemy pewną wartość, pochodną od stałej szybkości

reakcji, tzw. czas połowicznego przereagowania. Jest to czas potrzebny do tego, by w danych

warunkach przereagowało połowę substratów. Dla reakcji, z którymi najczęściej mamy do

czynienia, to znaczy z reakcjami przebiegającymi zgodnie z równaniem kinetycznym

pierwszego rzędu, czas ten wynosi (ln 2)/k = 0,69/k, gdzie k to stała szybkości reakcji. Jej

wymiarem jest czas -1

(np. s -1

) a czas połowicznego przereagowania oznaczamy najczęściej

jako t0,5. Reakcje przebiegające zgodnie z równaniem pierwszego rzędu charakteryzują się

czasem połowicznego przereagowania niezależnym od stężenia początkowego substratu.

Oznacza to, że jeżeli w dowolnej chwili przebiegu reakcji oznaczymy aktualne stężenie

substratu, to po upływie czasu t0,5 stężenie to zmaleje o połowę. Ta cecha reakcji (i procesów)

biegnących zgodnie z równaniem pierwszego rzędu pozwala nam prosto obliczyć czas

potrzebny do praktycznego zakończenia reakcji, jak i ustalić ekonomikę procesu (korelację

między czasem i wydajnością).

Ponieważ po okresie t0,5 przemianie w produkty ulega połowa substratu (i, jeśli nie

uwzględnimy reakcji ubocznych - powstaje połowa produktu), to po upływie 2 okresów t0,5

powstanie 75% produktu, po upływie 5·t0,5 mamy już około 97% produktu. Przez następny

taki okres czasu, to znaczy kolejne 5·t0,5 wydajność wzrośnie nam zaledwie o 3% (do

99,9%). Znając zależność wydajność = (1 - 0,5 n )·100% gdzie n to ilość okresów

połowicznego przereagowania, można obliczyć, jak okres przebiegu reakcji jest jeszcze

opłacalny, biorąc pod uwagę wydajność produktu i koszt procesu.

docsity.com

Elektrochemia

Elektrochemia jest działem chemii fizycznej zajmującym się relacjami między zjawiskami

chemicznymi a elektrycznością w szerokim pojęciu tego terminu. Elektrochemia zajmuje się

zatem i konduktometrią, czyli nauką o przewodnictwie elektrolitycznym, i potencjometrią,

zajmującą się powstawaniem różnicy potencjału pod wpływem przebiegających reakcji

chemicznych, a także elektrolizą, czyli reakcjami chemicznymi zachodzącymi pod wpływem

przyłożonego napięcia elektrycznego. Wiele (chyba nawet większość) zjawisk, którymi

zajmuje się elektrochemia jest związanych z przebiegiem procesów utlenienia i redukcji.

Pamiętamy, że reakcje utlenienia i redukcji zawsze przebiegają równocześnie - coś się utlenia

kosztem redukcji czegoś innego, stąd najczęściej ujmujemy te procesy wspólnie nadając im

wspólną nazwę reakcji redoksowych ( redukcyjno-oksydacyjnych). W reakcjach

redoksowych jeden atom zwiększa swoją wartościowość, stopień utlenienia (z

uwzględnieniem znaku) a inny zmniejsza, przy czym sumaryczna zmiana in plus, z

uwzględnieniem ilości atomów i wielkości zmian ich stopnia utlenienia, musi być równa

zmianie in minus.

Redoks

Z nauki w szkole średniej reakcje redoksowe kojarzą nam się zazwyczaj z dobieraniem

współczynników stechiometrycznych w zapisie formalnym tych reakcji. Jest to umiejętność

cenna i potrzebna, lecz obejmować musi tyle różnych możliwych układów, że uczenie się ich

na pamięć nie ma większego sensu, a i miejsce tu na tego typu nauki nie odpowiednie.

Przypominam tylko parę podstawowych reguł.

Równanie, jak sama nazwa wskazuje musi mieć po lewej stronie dokładnie tę sama wartość

co po prawej. W przypadku równania chemicznego musimy brać pod uwagę:

 masę, tyle samo atomów odpowiedniego pierwiastka musi być po prawej stronie co i

po lewej;

 ładunek elektryczny, jeżeli w reakcji biorą udział jony, to suma ładunków (z

uwzględnieniem znaku) po obu stronach równania musi być identyczna

Stopień utlenienia danego atomu w cząsteczce obliczamy korzystając ze stałości

wartościowości wodoru i tlenu. Dla przypomnienia: atom wodoru H ma zawsze

wartościowość +1, za wyjątkiem związków z metalami, zwanych wodorkami, gdzie

przyjmuje wartościowość -1; tlen O ma zawsze wartościowość -2, za wyjątkiem fluorku tlenu

OF2, gdzie ma wartościowość +2 oraz nadtlenków gdzie przyjmujemy wartość -1; dla stanów

pierwiastkowych i wiązań łączących atomy tego samego pierwiastka przyjmujemy

wartościowości 0).

Ponieważ dobranie współczynników metodą prób i błędów jest nie tylko czasochłonne ale i

czasem praktycznie niemożliwe, stosujemy następujący zabieg:

docsity.com

komentarze (0)
Brak komentarzy
Bądź autorem pierwszego komentarza!
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome