KE03: Reaktioner och energi

● Lärare: Annika Nyberg

annika.nyberg@mattliden.fi eller Wilma!

● Kursbok: Kaila et al. Kemi 3- Reaktioner och energi

● Dessutom: Anteckninsmaterial, MAOL,

räknemaskin

KE01 Människans kemi och kemin i livsmiljön

KE03 Reaktioner och energi

KE02 Kemins mikrovärld

KE04 Metaller och material

KE05 Reaktioner och jämvikt

KE06 Labbkurs

KE07 Repetitionskurs

Grunderna för gymnasiets läroplan 2003: Kursens mål är att de studerande skall

• förstå de faktorer som påverkar förloppet av kemiska reaktioner samt inse faktorernas betydelse för livsmiljön (industrin).

• förstår bindning och den frigörelse av energi som sker vid kemiska reaktioner och inse förändringarnas betydelse i samhället.

• kunna skriva reaktionsformler och bearbeta reaktionslikheter matematiskt.

• kunna undersöka fenomen med hjälp av experiment och olika modeller vid reaktioner, reaktionshastigheter och reaktionsmekanismer.

Kursens innehåll

Kap. 1. Hur sker en kemisk reaktion

Kap. 2 Reaktionsformler

Utbyte

Räkneuppgifter med reaktionsformler.

Kap. 3 Reaktionstyper och mekanismer Protonöverföringsreaktioner, reaktionsmekanismer.

Substitutionsreaktioner

Addition till karbonylgrupp

Kol-kol-dubbelbindningar

Kondensations- och hydrolysreaktioner

oxidations- och reduktionreaktioner

Förhör: organiska reaktionstyper

Kap 4. Gaser.

Förbränning

Gaslagarna, gasernas allmänna tillståndskvation. Molmassa och densitet för en gas.

Förhör: Gasernas allmänna tillståndsekvation

Kap.5 Energiförändringar

Räkneuppgifter, gaser, energiförändringar

Entalpi, entalpiförändringar.

Reaktionshastighet, Kollisionsteorin, aktiveringsenergi.

Laborationer

Provförberedelse 27.3.2015 kl. 13.45-15

PROV KE03 måndag 30.3.2015 kl. 9.00-11.45

Provutgivning 2.4 kl. 12.15-12.45

Bedömning

● Prov 80 %

● Förhör 10%

● Det slutliga vitsordet påverkas dessutom av:

– Timaktivitet (visat intresse, arbetsinsats under lektionerna)

– Gjorda läxor (en läxuppgift/lektion + flera frivilliga)

1. Kemiska reaktioner

● Vid en kemisk reaktion bildas nya ämnen

då gamla bindningar bryts och nya bildas.

● En del av de kemiska reaktionerna kan observeras p.g.a

– Att de utstrålar ljus

– Temperaturförändringar

– Färgförändringar

– Att fällning bildas

– Att gas frigörs

● Det sker ingen kemisk reaktion då ämnen byter aggregationstillstånd.

1.1 Hur sker en kemisk reaktion?

2.1 Att uttrycka en reaktion med symboler

● Reaktionsformeln beskriver vad som sker i reaktionen.

● Ex. Butan förbränns fullständigt till koldioxid och vatten.

1. Skriv ut formlerna för utgångssubstanser och reaktionsprodukter samt symbolen för aggregations-tillstånd.

2. Balansera

Balanseringstips:

● Börja med att balansera de grundämnen som förekommer i endast ett ämne på vardera sidan av reaktionsformeln (ofta C och H).

● Om ett grundämne förekommer i flera än ett ämne på vardera sidan av reaktionsformeln: Lämna det till sist!

Demo: MgO

Läxa till den 6.2

● s. 29 uppg. 4

● Frivilligt: s. 29 uppg. 6,7● Extra svår: s. 30 uppg. 8

s. 29 uppg. 4

Kursförväntningar 2015

Kursförväntningar 2014

2.2 En reaktionsformel är ett recept

2 H2 (g) + O

2 (g) → 2 H

2O (l)

utgångssubstanser reaktionsprodukter

• Antalet atomer av samma grundämne bör vara lika stort på vardera sidan av reaktionsformeln !

+ →

● Koefficienterna anger förhållandet mellan utgångs-substansernas och reaktionsprodukternas substans-mängder.

Substansmängd

● Substansmängden anger hur många atomer som reagerar (=mängden substans):

n = substansmängd (mol)m = massa (g)M = molmassa (g/mol)

Koncentration

● Koncentrationen anger hur många mol upplöst ämne det finns i en liter (dm3) lösning.

c = n V

c = concentration (mol/l)n = substansmängd (mol)V = volym (l)

Ex. Hur mycket koldioxid kan det bildas då 1.00 g glukos jäser?

a) Skriv en balanserad reaktionsformel.

b) Beräkna substansmängden för det ämne som ges i uppgiften (nglukos

).

c) Beräkna det sökta ämnets substansmängd (nkoldioxid

) enligt förhållandet

mellan koefficienterna.

d) Omvandla substansmängden till den sökta enheten (mkoldioxid

).

Läxa till den 6.2

● s. 31 uppg. 15 a)

● Frivillig: s. 33 uppg. 23

4a) Då man häller magnesiumpulver i saltsyra bildas det vätgas och magnesiumklorid.

Mg(s) + HCl(aq) → MgCl2(aq) + H

2(g)

b) Då en järnspik upphettas, reagerar järnet med syret i luften och spiken får ett ytskikt som består av järn(II)oxid.

Fe(s) + O2(g) → Fe

2O

3(s)

https://www.youtube.com/watch?v=5MDH92VxPEQ

2.3 Utbyte

● Vid en kemisk reaktion bildas det ofta en mindre mängd reaktionsprodukter än vad reaktionsformeln förutsätter p.g.a att:

– Reaktionerna sällan sker fullständigt

– Bireaktioner tävlar med huvudreaktionen och biprodukter bildas.

– Produkterna ofta måste isoleras och renas och vid dessa processer kan en del av produkten försvinna.

Utbyte i procent = verkligt utbyte x 100%

teoretiskt utbyte

● Ifall det procentuella utbytet är större än 100 % innehåller produkten föroreningar.

Uppg 26 s. 33. En reaktionsblandning innehåller 20,0 g natriumvätekarbonat NaHCO

3 och 50 cm3 6 M

klorvätesyra HCl.

a) Beräkna det teoretiska utbytet av natriumklorid.b) Vid reaktionen bildas 12,3 g natriumklorid. Beräkna det procentuella utbytet.

Reaktionsformel HCl + NaHCO3 → NaCl + H

2O + CO

2

Koefficienter

2.4 Reaktioner som sker parallellt

a) Om utgångsämnet är en blandning av två eller flera ämnen, kan flera parallella reaktioner ske.

– Dessa reaktioner måste beaktas skillt för sig, och reaktionsformlerna kan inte adderas.

Ex. 6 (s.25): En blandning av aluminium- och zinkpulver väger 1,00 g. Då blandningen reagerar med klorvätesyra frigörs 0,080 g vätgas.

Hur mycket av vardera metallen innehöll blandningen ursprungligen?

• Vardera ämnet reagerar skillt för sig enligt:

2 Al (s) + HCl (aq) → AlCl3 (aq) + 3 H2 (g)

Zn + HCl → ZnCl2 (aq) + H2 (g)

http://www.youtube.com/watch?v=pvhDkqXa3CQhttp://www.youtube.com/watch?v=A4XITC225uk

b) Reaktioner i flera steg

http://www.youtube.com/watch?v=MTAGulTvVRA

● Då en reaktionsprodukt fungerar som utgångsämne i följande reaktion.

Ex. Hur många gram salpetersyra kan produceras av 56 g kvävgas?

N2 + 3H2 → 2 NH3

4 NH3 + 5O2 → 4 NO + 6 H2O 2 NO + O2 → 2 NO2

2 H2O + 4 NO2 + O2 → 4 HNO3

3. Reaktionstyper och mekanismer

3.1 Vad sker med bindningarna i en kemisk reaktion

● I kemiska reaktioner bryts gamla bindningar och nya bildas

– Jonbindning: Positiva och negativa joner dras till varandra och bildar ett kristallint jongitter. I utfällningsreaktioner sker kristallbildningen snabbt.

– Kovalent bindning: I reaktioner mellan molekylföreningar bryts kovalenta bindningarna i utgångsämnen och nya kovalenta bildningar bildas.

● Man måste känna till elektronstrukturen hos en förening för att veta hur den reagerar.

● Strukturen för ammoniak och vatten:

3.2 Var sker reaktionen?

● Hos organiska föreningar är det oftast de funktionella grupperna som reagerar.

● Organiska föreningar reagerar oftast så att en elektronrik del i en molekyl (nukleofil) attackerar en elektronfattig del (elektrofil) i en annan molekyl och en ny kovalent bindning bildas.

● Elektronrik: fria elektronpar

● Elektronfattig: grundämnen som får

positiv delladdning p.g.a polär bindning.

● För att den attackerande atomen inte skall få för många bindningar, måste en gammal bindning brista då en ny bildas.

● HONC-regel!

3.3 Protonöverföringsreaktioner

● Demo: ammoniak + saltsyra

● Syra: Ämne som kan avge en proton, H+

● Bas: Ämne som kan motta en proton, H+

● Reaktionsmekanism (En modell som förklarar hur en reaktion sker på atom- eller elektronnivå):

● Krökta pilar visar elektronparets rörelse och rörelseriktning.

● Ammoniakens fria elektronpar bildar en ny bindning medan den gamla H-Cl bindningen brister.

● Klor får båda elektronerna från bindningen som brister och blir därför negativt laddad.

Reaktion mellan syra och vatten

Reaktion mellan bas och vatten

● Ex. 1(s.45) Ammoniak + vatten

Neutralisation

syra + bas → vatten + salt

● Protonöverföringsreaktioner kan ske hos organiska föreningar som har:

● Karboxylsyragrupp (= syra)

● Aminogrupp (= bas)

3.4 Substitutions- eller ersättningsreaktioner

● En atom- eller atomgrupp ersätts med en annan atom- eller atomgrupp.

A-B + C-D → A-C + B-D

● Ex.

a) alkaner och cykloalkaner

● Kemiskt passiva, reagerar dåligt

● Reaktionen fodrar hög temperatur eller kraftig UV-strålning

● H ersätts med halogen (F, Cl, Br, I)

Radikalmekanism (kedjereaktion):

1)

2)

3)

b) Bensen

● Bensenringens struktur är mycket stabil p.g.a delokalisering av elektroner.

● H ersätts med en halogen (F, Cl, Br, I)

c) Halogenerade kolväten

● Halogenen ersätts med -OH eller -NH2

● Mekanism:

d) Aminer

● Väteatomerna i aminogruppen ersätts med en kolvätekedja (= alkylering)

Läxa

● Läs s. 43-54 i boken

● s. 76 uppg. Uppg.39, 44

3.5 Additionsreaktioner

● TVÅ utgångsämnen reagerar (adderas) och bildar EN produkt.

A + B → C

● T.ex. Addition till en karbonylgrupp

a) Reaktion mellan karbonylgrupp och natriumborhydrid

● Klassificeras som både additionsreaktion (väte adderas) och reduktionsreaktion (= antalet väteatomer i föreningen ökar).

● Aldehyd → primär alkohol

b) Addition av vatten till karbonylgrupp

● Aldehyd → instabilt hydrat av etanal

c) Reaktion mellan koldioxid och vatten

d) Reaktion mellan karbonylgrupp och metallorganiska föreningar

● Metallorganiska föreningar är föreningar där en metall är bunden till en kolatom med en kovalent bindning.

● Kolatomen får ett fritt elektronpar och kan då angripa andra föreningar.

● Metallorganiska föreningar reagerar mycket häftigt med vatten, t.e.x n-butyllitium.

http://www.youtube.com/watch?v=GGsMZ0DXU8Ahttp://www.youtube.com/watch?v=cCjHtbfcMPo

Läxa

● Läs s. 55-62 (inte blåa rutorna)

● s. 78 uppg. 51

● En dubbelbindning består av två olika kovalenta bindningar:

– sigma (σ)

– pi (π)

● Pi-bindningen är mycket svagare och mear reaktiv än sigmabindningen och öppnar sig därför lätt.

3.6 Addition till en dubbelbindning

Mekanism:

Typiska additionsreaktioner:

Markovnikovs regel

● Väteatomen binds till den kolatom vid dubbelbindningen som redan tidigare innehåller mera väte.

Additionspolymerisation● En kedjereaktion där upp till hundratusentals monomerer med

dubbelbindningar reagerar och bildar långa polymerer .

Elimineringsreaktioner

● Additionens omvända reaktion. En liten molekyl avlägsnas (elimineras) och en dubbelbindning bildas.

● Ett utgångsämne bildar två produkter.

A → B + C

a) Eliminering av vätehalogenid

b) Eliminering av väte (dehydrering)

c) Eliminering av vatten

Kondensationsreaktioner

● Två molekyler sammanfogas och som biprodukt bildas en liten molekyl (ofta vatten).

a) alkohol + alkohol → eter

b) karboxylsyra + karboxylsyra → syraanhydrid

b) alkohol + karboxylsyra → ester

c) karboxylsyra + amin → amid

Hydrolysreaktion

● Den omvända reaktionen till en kondensationsreaktion.

● Ex. Tillverkning av tvål:

NaOH (aq)

3.8 Reduktion

3.8 Oxidation

primär alkohol aldehyd karboxylsyra

sekundär alkohol keton

K2CrO

7

Demonstration

● Oxidation av bensylalkohol till bensaldehyd

Läxa

● Förhör på reaktionsmekanismer:

– Kunna namnge mekanismen rätt (alla namn-alternativ ges färdigt)

– Rita produkterna om utgångsämnena är givna