Przeczytaj

bg‑azure

Jak zinterpretować równanie reakcji chemicznej?

Równanie chemicznerównanie reakcji chemicznejRównanie chemiczne jest językiem, którym porozumiewają się chemicy w celu opisania jakościowego i ilościowego przebiegu reakcji chemicznej.

RbykSq9ItL1Jk1

Zdjęcie przedstawia niemieckiego chemika, Fritza Habera. Mężczyzna jest łysy, ma wąsy, nosi okulary, ubrany jest w garnitur, koszulę i krawat. — Noblista w dziedzinie chemii – Fritz Haber
Źródło: dostępny w internecie: pl.wikipedia.org, domena publiczna.

Fritz Haber [frɪts], niemiecki fizykochemik, który otrzymał w 1918 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za opracowanie bezpośredniej metody syntezy amoniaku z wodoru i azotu, zgodnie z zapisem reakcji:

$N_{2} + 3 H_{2} \overset{3 - 35 MPa; 500 - 650 ° C}{\to} 2 {NH}_{3}$

To równanie reakcji można zinterpretować w różny sposób, np.:

1 cząsteczka azotu reaguje z 3 cząsteczkami wodoru, dając 2 cząsteczki amoniaku.
1 mol cząsteczek azotu reaguje z 3 molami cząsteczek wodoru, dając 2 mole cząsteczek amoniaku.

Stosunek ilościowy substancji w reakcji chemicznej, nazywamy stosunkiem stechiometrycznym.

Liczba moli substratów użytych w reakcji chemicznej może być różna, ale zawsze reagują one ze sobą w stosunku stechiometrycznym. W powyższej reakcji azotu z wodorem wiemy, że 1 mol cząsteczek azotu reaguje z 3 molami cząsteczek wodoru. Kiedy weźmiemy do reakcji 2 mole cząsteczek azotu i 3 mole cząsteczek wodoru, przereaguje tylko 1 mol cząsteczek azotu, a w mieszanie poreakcyjnej zostanie 1 mol cząsteczek azotu.

bg‑azure

Pierwszym krokiem w interpretacji równania reakcji chemicznej jest uzgodnienie współczynników stechiometrycznych. Czy wiesz, na czym ono polega?

Uzgodnienie współczynników stechiometrycznych opiera się na „wyrównaniu” ilości elementów po lewej i prawej strony równania reakcji chemicznej.

Przykład 1

Dobierz współczynniki stechiometryczne w poniższym schemacie:

N_{2} + H_{2} \to {NH}_{3}

W obecnym zapisie po lewej stronie równania znajdują się $2$ atomy azotu (w jednej dwuatomowej cząsteczce) oraz $2$ atomy wodoru (również w jednej dwuatomowej cząsteczce), a po prawej stronie równania zapisano 1 atom azotu i $3$ atomy wodoru (w jednej cząsteczce amoniaku). Aby uzgodnić równanie reakcji, należy „wyrównać” liczby atomów po obu stronach równania reakcji chemicznej. Ponieważ po prawej stronie jest nieparzysta liczba atomów wodoru, a po prawej parzysta, przed produktem ( ${NH}_{3}$ ) należy wpisać cyfrę $2$ . Wtedy po prawej stronie równania mamy w dwóch cząsteczkach amoniaku $2$ atomy azotu i 6 atomów wodoru ( $2$ · $3$ ). Po lewej stronie równania mamy też $2$ atomy azotu (w 1 dwuatomowej cząsteczce), ale dalej nie zgadza się liczba atomów wodoru – $2$ po lewej stronie i 6 po prawej. Dlatego należy dopisać $3$ przed symbolem wodoru po lewej stronie. Uzgodnione równanie tej reakcji chemicznej wygląda następująco:

N_{2} + 3 H_{2} \to 2 {NH}_{3} ↑

RqhMFNAg1lup01

Graficzne ujęcie reakcji syntezy amoniaku z azotu i wodoru za pomocą modeli czaszowych cząsteczek azotu, wodoru i amoniaku. Niebieskim kolorem oznaczono atomy azotu, jasnoszarym kolorem oznaczono atomy wodoru. Po lewej stronie równania są połączone ze sobą dwie fioletowe kulki - to dwa atomy azotu dodać trzy oddzielne pary - po dwie połączone ze sobą białe kulki - atomy wodoru strzałka w prawo dwie cząsteczki amoniaku - każda zbudowana jest z jednej fioletowej kulki położonej centralnie i trzech połączonych z nią białych kulek. — Graficzne przedstawienie reakcji syntezy amoniaku
Źródło: GroMar sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑azure

Jak można zinterpretować jakościowo i ilościowo równania reakcji chemicznych?

Przykład 2

Zapisz równanie reakcji pomiędzy cynkiem a kwasem siarkowym(VI), uwzględniając stosunki stechiometryczne reagentów.

Zn + H_{2}

Interpretacja w makroświecie: 1 mol atomów cynku reaguje z jednym molem cząsteczek kwasu siarkowego(VI), dając 1 mol siarczanu(VI) cynku i 1 mol cząsteczkowego wodoru.

Interpretacja w mikroświecie nie jest możliwa w tym przypadku – bo choć możemy powiedzieć, że 1 atom cynku reaguje z jedną cząsteczką kwasu siarkowego(VI), dając 1 cząsteczkę wodoru, to nie możemy użyć sformułowania 1 cząsteczka siarczanu(VI) cynku (jest to związek o wiązaniach jonowych, ma budowę krystaliczną i użycie terminu cząsteczka nie jest poprawne).

Interpretacja makroskopowa równania bardziej przystaje do pracy chemika, ponieważ chemicy syntetycy nie wprowadzają do naczynia reakcyjnego po jednym atomie czy jednej cząsteczce.

R1eRl4ir3F1BU1

Na ilustracji graficznie przedstawiono otrzymywanie siarczanu(VI) cynku oraz wodoru w reakcji cynku z kwasem siarkowym(VI). Substraty: cynk: niebieska kulka oraz kwas siarkowy: kulka żółta połączona z czterema kulkami czerwonymi i dwiema białymi. Kolor żółty oznacza siarkę, czerwony tlen, a biały wodór. Produkty reakcji: wodór cząsteczkowy, czyli złączone dwie białe kulki, obok niebieska kulka opisana Z n 2 + i żółta kulka (siarka) złączona z czterema czerwonymi, dwie opisane są O, a pozostałe O − . — Graficzne przedstawienie reakcji otrzymywania siarczanu(VI) cynku
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ważne!

Stała Avogadrastała Avogadra, NAStała Avogadra to liczba, która jest równa liczbie atomów, cząsteczek, jonów itp., zawartych w 1 molu substancji.

bg‑azure

Jak dokonać interpretacji równań reakcji chemicznych z wykorzystaniem terminu „masa”?

Przykład 3

Zapisz i uzgodnij równanie reakcji otrzymywania disiarczku węgla ( ${CS}_{2}$ ) z siarki i węgla. Załóż, że w warunkach przeprowadzenia reakcji siarka występuje w postaci cząsteczek ośmioatomowych.

Krok 1. Zapisz równanie reakcji.

C + S_{8} \to {CS}_{2}

Krok 2. Uzgodnij równanie reakcji.

8 C + 2 S_{8} \to 8 {CS}_{2}

Interpretacja w makroświecie: 8 moli atomów węgla reaguje z 2 molami cząsteczek siarki, w wyniku czego powstaje 8 moli disiarczku węgla.

Interpretacja masowa: Na podstawie mas atomowych z układu okresowego dla danych pierwiastków możesz odczytać i obliczyć, że:

8 moli atomów węgla ma masę 96 gramów ( $8$ · 12 g = 96 g);
2 mole cząsteczek siarki mają masę 512 gramów ( $2$ · $8$ · 32 g = 512 g);
W wyniku tej reakcji otrzymujemy 608 gramów disiarczku węgla ( $8$ · (12 g + $2$ · 32 g) = 608 g).

Na tej podstawie, znając ilość jednego dowolnego reagenta, możemy określić ilość otrzymanego produktu. Ilość jednego reagenta określa ilość wszystkich pozostałych reagentów. Wolna siarka występuje w postaci 8‑atomowych cząsteczek ( $S_{8}$ ), jednak w równaniach reakcji chemicznych często stosuje się uproszczony zapis siarki ( $S$ ), tak jakby występowała ona w postaci pojedynczych atomów.

RcKeaNemFD7sf1

Ilustracja przedstawia graficznie ukazaną reakcję węgla z siarką, w wyniku której powstaje disiarczek węgla. Substraty to liczne kulki szare oznaczające atomy węgla oraz żółte kulki tworzące pierścienie składające się z ośmiu kulek. Obok znajduje się strzałka w prawo. Produktem reakcji są cząsteczki disiarczku węgla, każda cząsteczka zbudowana jest z atomu węgla znajdującego się pomiędzy dwoma atomami siarki. — Graficzne przedstawienie reakcji otrzymywania disiarczku węgla
Źródło: GroMar sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Przykład 4

Oblicz masę siarki, jaka jest potrzebna do przereagowania z 3 g węgla. Załóż, że siarka, w warunkach przeprowadzenia reakcji, występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych.

Krok 1. Zapisz równanie reakcji i uzgodnij współczynniki.

C + S_{2} \to {CS}_{2}

Krok 2. Korzystając z układu okresowego, ustal masy molowe poszczególnych substratów.

M_{C} = 12 \frac{g}{mol}

M_{S} = 32 \frac{g}{mol}

Krok 3. Ułóż proporcję.

Zgodnie z równaniem reakcji 12 g węgla reaguje z 64 g siarki (2 · 32 g), a więc 3 g węgla reagują z x g siarki:

12 g C - 64 g S

3 g C - x

x = \frac{3 \cdot 64}{12} = 16 g S

Odpowiedź: masa siarki potrzebna do przereagowania z 3 g węgla wynosi 16 g.

bg‑azure

Jak z równań reakcji chemicznych odczytać objętości reagentów?

W XIX w. Louis Gay‑Lussac [ge lüsạk] sformułował prawo stosunków objętościowych, które brzmi:

Jeżeli wszystkie objętości mierzono w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury, to stosunek objętości reagujących gazów i gazowych produktów pozostają do siebie w stosunku niewielkich liczb całkowitych.

Ważne!

Równe objętości różnych gazów w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia zawierają jednakowe ilości moli tych gazów.

1 mol gazu, czyli 6,02 · 10Indeks górny 23 cząsteczek (bądź w przypadku gazów szlachetnych - atomów), w warunkach normalnych, zajmuje objętość 22,41 ${dm}^{3}$ .

Stosunek objętościowy reagentów gazowych jest równy ich stosunkowi molowemu.

Przykład 5

Zinterpretuj objętościowo równanie chemiczne otrzymywania chlorowodoru ( $HCl$ ) z wodoru i chloru.

Krok 1. Zapisz równanie reakcji i ustal współczynniki stechiometryczne.

{Cl}_{2} + H_{2} \to 2 HCl

Krok 2. Zapisz, ile moli produktów bierze udział w reakcji.

Interpretacja objętościowa: 1 objętość cząsteczkowego chloru reaguje z 1 objętością cząsteczkowego wodoru, w wyniku czego powstają 2 objętości cząsteczkowego chlorowodoru. Oznacza to, że 22,41 ${dm}^{3}$ chloru reaguje z 22,41 ${dm}^{3}$ wodoru, dając 44,82 ${dm}^{3}$ chlorowodoru.

R4jl0qpVOP1pF1

Na ilustracji graficznie ukazano reakcję otrzymywania kwasu chlorowodorowego z wodoru i chloru cząsteczkowego. Substraty to: wodór w postaci dwóch złączonych białych kulek i chlor w postaci dwóch złączonych zielonych kulek. Obok znajduje się strzałka w prawo. Produktami są dwie cząsteczki kwasu chlorowodorowego – jedna kulka zielona połączona jest z jedną białą. — Graficzne przedstawienie reakcji otrzymywania kwasu chlorowodorowego
Źródło: GroMar sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Czasami jednak objętość gazów w reakcji się zmienia (np. maleje). Spójrz jeszcze raz na równanie reakcji syntezy amoniaku:

N_{2} + 3 H_{2} \to 2 {NH}_{3}

Równanie to można zinterpretować następująco: 22,41 ${dm}^{3}$ azotu reaguje z 67,23 ${dm}^{3}$ wodoru, dając 44,82 ${dm}^{3}$ amoniaku, czyli objętość substratów wynosi 89,64 ${dm}^{3}$ , a objętość produktów 44,82 ${dm}^{3}$ . W tej reakcji objętość maleje dwukrotnie.

Należy pamiętać, że TYLKO 1 mol gazu w warunkach normalnych ma objętość 22,41 ${dm}^{3}$ . Zależność ta nie dotyczy cieczy i ciał stałych.

Słownik

stała Avogadra, N

liczba cząstek (atomów, cząsteczek, jonów etc.) w molu dowolnej substancji chemicznej; jedna z najważniejszych stałych uniwersalnych; NIndeks dolny A = 6,02214076 · 10Indeks górny 23 molIndeks górny -1

mol

jednostka liczności (ilości) materii, podstawowa w układzie SI; Jeden mol materii zawiera dokładnie 6,02214076×10Indeks górny 23 obiektów elementarnych (jest to definicja obowiązująca od 20 maja 2019 r. – poprzednio mol definiowano jako liczność materii układu, zawierającego liczbę cząstek równą liczbie atomów w masie 0,012 kg izotopu węgla ${}^{12}C$ ); stosując termin „mol”, należy określić rodzaj obiektów (np.: atomy, cząsteczki, jony, elektrony, inne cząstki albo określone zespoły takich cząstek); w obliczeniach zwykle przyjmuje się, że mol jest to około 6,02 · 10Indeks górny 23

równanie reakcji chemicznej

zapis jakościowej i ilościowej informacji o zachodzącej przemianie chemicznej za pomocą wzorów lub symboli chemicznych.

warunki normalne

umownie przyjęte wartości ciśnienia (tzw. ciśnienie normalne) pIndeks dolny 0 = 1 atm = 1013,25 hPa oraz temperatury (tzw. temperatura normalna) TIndeks dolny 0 = 0°C = 273,15 K, dla których podaje się zwykle wartości wielkości fizycznych, charakteryzujących ciała

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząstki, materia, reakcje, Warszawa 2018.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2007.

Encyklopedia PWN

Zadania maturalne CKE

Wprowadzenie

Gra edukacyjna

Jak zinterpretować równanie reakcji chemicznej?

Pierwszym krokiem w interpretacji równania reakcji chemicznej jest uzgodnienie współczynników stechiometrycznych. Czy wiesz, na czym ono polega?

Jak można zinterpretować jakościowo i ilościowo równania reakcji chemicznych?

Jak dokonać interpretacji równań reakcji chemicznych z wykorzystaniem terminu „masa”?

Jak z równań reakcji chemicznych odczytać objętości reagentów?

Słownik

Bibliografia