Reactii chimiceMajoritatea reactiilor chimice se petrec in mediu apos. Apa, ca solvent, joaca un rol important reactiile chimice. Rolul apei ca solvent Exemplu Se considera un aparat simplu pentru masurarea curentului electric. KBr apa K+(aq) + Br-(aq)

electrolit

H2O

+ +

H2O +

K+Br-

+

H2O +

-

H2O + H2O + H2O - K+ + + H2O - H2O + H2O - + H2O Br- + H2O + H2O + H2O -

+

H2O

H2O H2O -

H2O

-

+

Apa dizolva si unele substante covalente Cum ar fi zaharul C12H22O11, glicolul, C2H6O2, HCl, etc

HCl

apa

H+(aq) + Cl-(aq)

Cationul interactioneaza puternic (interactiuni chimice) cu moleculele de apa rezultand ionul oxoniu care se scrie uzual H3O+.

Interactiunile apei cu cationi de natura s si p sunt preponderent electrostatice in timp ce interactiounile apei cu cationi de tip d sunt de natura covalenta.

Clasificarea reactiilor chimice in mediu apos

-Reactii de precipitare -Reactii acido-bazice -Reactii de oxido-reducere (redox) -Reactii de complexare

-Reactii de combinare X + Y Z -Reactii de descompunere Z X+Y -Reactii de inlocuire X + YZ XZ + Y

Reactii de precipitare

Prin amestecarea solutiilor de azotat de bariu si sulfat de cupru (II) rezulta un precipitat insolubil Ba(NO3)2 + CuSO4 BaSO4(ppt) + Cu(NO3)2 BaSO4(ppt) + Cu2+ + 2 NO3-

Ba2+ + 2 NO3- + Cu2+ + SO42Ecuatia reactiei chimice

NaCl(aq) + AgNO3(aq) -----> NaNO3(aq) + AgCl(s) Ecuatia reactiei chimice forma ionica Na+(aq) + Cl-(aq) + Ag+(aq) + NO3-(aq) ------> Na+(aq) + NO3-(aq) + AgCl(s) Ecuatia reactiei chimice forma neta Ag+(aq) + Cl-(aq) ------> AgCl(s)2KI(aq) + Pb(NO3)2(aq) -> 2KNO3(aq) + PbI(s)

Pentru scrierea corecta a unui proces de precipitare : -se identifica ionii prezenti in solutie -se considera posibilele interactiuni cation-anion -se determina combinatia de anion-cation insolubila AgNO3(aq) + Na2S(aq) Ag+ si NO3 Na+ si S2 Ag2S si NaNO3

2AgNO3(aq) + Na2S(aq) p Ag2S(s) + 2NaNO3(aq) 2Ag+(aq) + 2NO3(aq) + 2Na+(aq) +S2(aq) p Ag2S(s) + 2Na+(aq) + 2NO3(aq) 2Ag+(aq) + S2(aq) p Ag2S(s)

BaCl2(aq) + Na2SO4(aq) Ba2+(aq) + SO42(aq)

p

BaSO4(s) + 2NaCl(aq)

Ba2+(aq) + 2Cl(aq) + 2Na+(aq) + SO42(aq)p BaSO4 (s) + 2Na+(aq) + 2Cl(aq) BaSO4(s)

Reactiile acido-baziceReactiile acido-bazice (de neutralizare) au fost considerate initial reactiile dintre un acid si o baza. Acest concept s-a schimbat mult in ultimii ani.

I. Arrhenius un acid este o substanta care in mediu apos pune in libertate H+, iar o baza este o substanta care pune in libertate grupari OH- la dizolvarea in apa.

II. Bronsted - un acid este orice specie chimica care poate dona un proton iar o baza este reprezentata de orice specie chimica capabila de a accepta un proton.

Brnsted Acid:Proton - donor Base:Proton - acceptor

HCl + H2O Acid Baza

H3O+

+ Cl

Acid Baza conjugat conjugata

In reactiile acido-bazice fiecare specie considerata acid are o baza conjugata corespunztoare si fiecare specie bazica are un acid conjugat corespunztor. Acid CH3CO2H Baza + H2O Baza conjugata CH3CO2Acid conjugat + H3O-

Pereche conjugata Pereche conjugata

NH3 + H2O

NH4+ + OH-

HCl + NH3Acid Baza

NH4+ +acid conj

Clbaza conj

Un acid puternic este un acid care disociaza complet in apa HA = H+ + A-

H2O = H+ + OH-, Scala pH este definita ca fiind logaritm din concentratia de H+: pH = -log[H+] similar, pOH = - log [OH-]

Exemplu daca H+ = 0.0001M = 10-4; log din 10-4 = -4; pH = - log [ H+] = - log (10-4) = - (-4) = +4 pH=4

pH bazic 14

Daca OH- = 0.001M = 10-3; pOH = -log [OH-] = -log (10-3) = +3 pOH=3

7

pH neutru

pH = 14 - pOH;pH = 14 - 3 = 11 pH acid 0

III. Lewis un acid este o specie capabila de a accepta o pereche de electroni, o baza este o specie capabila de a ceda o pereche de electroni

BF3 si AlCl3, sunt specii de tip acid Lewis deoarece poseda orbitali vacanti si au capacitatea de a gazdui perechi de electroni Alte specii de tip acid Lewis sunt TiCl4, FeCl3, ZnCl2, and SnCl4.

BAZE LEWIS

Reactii de oxido-reducere

Sunt reactiile cu transfer de electroni . Fie reactia 2Mg(s) + O2(g)

2 MgO (s)

Transferul de electroni are loc de la magneziu spre oxigen .

Reactia de oxidoreducere (redox) este un proces dublu format din: Oxidarea Mg - 2e- Mg2+, magneziul este considerat agentul reducator . Oxidarea este procesul in care se pierd electroni. Reducerea 1/2O2 +2e- O2-, oxigenul este considerat agentul oxidant Reducerea este procesul care are loc cu acceptare (castig) de electroni.

Numarul de oxidare se utilizeza pentru monitorizarea schimbului de electroni. Fiecare atom dintr-o molecula sau specie chimica poliatomica are un numar de oxidare NO specific sau stare de oxidare. Numarul de oxidare se exprima printr-un numar intreg precedat de + sau pentru determinarea sarcinii. Regulile de determinare a numarului de oxidare -Numarul de oxidare pentru orice atom aflat in stare elementala este 0 -Pentru un ion monoatomic , numarul de oxidare este egal cu sarcina ionului -Suma numerelor de oxidare a atomilor dintr-un compus neutru este egala cu 0 -Pentru elementele din grupa 1, numarul de oxidare este +1 in toti compusii -Pentru elementele din grupa 2, numarul de oxidare este +2 in toti compusii -Pentru hidrogen numarul de oxidare este +1 in toate combinatiile acestuia cu nemetale si -1 in toate combinatiile cu metale (hidruri metalice) -Pentru fluor numarul de oxidare este -1 in toti compusii -Pentru oxigen numarul de oxidare este -2 in toti compusii cu exceptia peroxizilor unde numarul de oxidare este -1 -Pentru grupa 17 numarul de oxidare este -1 in toate combinatiile cu exceptia combinatiilor cu oxigenul. -Pentru elementele din blocul p numarul de oxidare maxim este egal cu numarul grupei cu exceptia F si O.

Element Fe

Stare de oxidare +2 +3

Compus sau ion Fe2+ Fe3+ Zn Zn2+ H2O2 O2 H2O Cr2O72Cr3+ CrO42MnO4MnO42MnO2 Mn2+ H2C2O4 CO2 CO32CO

Zn

0 +2

O

-1 0 -2

Cr

+6 +3 +6

Mn

+7 +6 +4 +2

C

+3 +4 +4 +2

Pentru scrierea corecta a unei reactii redox se vor urma pasii: 1. Se determina numarul de oxidare pentru toate elementele chimice 2. Se identifica speciile care se oxideaza respectiv care se reduc 3. Se determina numarul de electroni pierduti in procesul de oxidare si castigati in cel de reducere 4. se completeaza ecuatia prin multiplicarea uneia sau sau a ambelor procese cu numarul de electroni corespunzator (pierduti sau castigati). Exemplu AgNO3 + Cu +1+5-2 0 Ag + Cu (NO3)2 0 +2+5-2

Oxidare Cu Cu2+ + 2eReducere (Ag+ + e- Ag) 2 2Ag+ + Cu Cu2+ + 2Ag sau 2AgNO3(aq) + Cu(s) 2Ag(s) + Cu(NO3)2(aq)

K 2 Cr2 O 7 (aq) HI(aq) KI(aq) CrI 3 (aq) I 2 (s) H 2 O(l) pK 2 Cr2 O 7 HI KI CrI 3 p o o o o o 1 6 2 1 1Numarul de oxidare al iodului creste de la -1 la 0 . La Cr numarul de oxidare descreste de la +6 la +3.

I2 o 0

H 2O o o 1 2

o o o o 1 1 3 1

Cr+6 +3e Cr+3 reducere I-1 -1e I0 oxidare Iodul in HI pierde 1e iar Cr castiga 3e.

K 2 Cr2 O 7 6HI KI 2CrI 3 3I 2 H 2 O p

K 2 Cr2 O 7 14HI 2KI 2CrI 3 3I 2 7 H 2 O p

0

02

+1 -22

H + 2 H2 + O2

O

H2O

2( H 2e- + O0

0

H +e-) Oxidare O Reducere+1 -2

2 H2O

+2 -2

0

0

HgO 2 HgO

O2 + Hg O2 + 2 Hg

2e- + Hg+2 Hg0 Reducere O-2 O0 + 2e- Oxidare

+1 +5-2

+1 -1

0

6e- + Cl 3( O-2

+5

Cl Reducere-1 0

KClO3

KCl + O2

O + 2e-) Oxidare

2 KClO3

2 KCl + 3 O2

+1 -1

0

+2

-1

0

2( e- + H Zn0

+1

H ) Reducere0 +2

HCl + Zn 2 HCl + Zn

ZnCl2 + H2 ZnCl2 + H2

Zn + e- Oxidare

0

+1 +5 -2

+2 -2

+2 +5 -2

+1 -2

Cu +H(NO3) 3 Cu + 8 HNO3

NO + Cu(NO3)2 + H2O 4 H2O + 2 NO + 3 Cu(NO3)2

2( 3e- + N+5 N+2) Reducere 3( Cu0 Cu+2 + 2e-) Oxidare

+1

+6 -2

+1 -1

0

+3 -1

+1 -2

+1 -1

K2(Cr2O7) + HCl K2(Cr2O7) + 14 HCl

Cl2 + CrCl3 + H2O +KCl

3( Cl-1 Cl0 + 1e-) Oxidare 3 e- + Cr+6 Cr+3 Reducere

3 Cl2 + 7 H2O + 2 CrCl3 + 2 KCl

+1 +7 -2

+1 +2 -3

+1 -2

+4

-2

+1 -2 +1

+1 -2 +4 -3

KMnO4 +K(CN) +H2O 3( C

MnO2 +K(OH) +K(OCN) 2(3e- + Mn Mn ) Reducere+4

+2

C +2e-) Oxidare+4

+7

2 KMnO4 + 3 KCN + H2O

2 MnO2 + 2 KOH + 3 K(OCN)

+1 +7 -2

+1 +3 -2

+1 +6 -2

+2 +6 -2

+4-2

+1 -2

+1 +6-2

KMnO4 + H2C2O2 +H2SO4

MnSO4 +CO2 + H2O + K2SO4

5e- + Mn

+7

Mn Reduction+2

5( C

+3

C + e-) Oxidation+4

2 KMnO4 + 5 H2C2O4 + 3 H2SO4

2 MnSO4 + 10 CO2 + 8 H2O + K2SO4

-4 +1

0

+1 -2

+4 -2

CH4 + O2 CH4 + 2 O2

H2O + CO2 2 H2O + CO2

C C +8e- Oxidare 4( 2e- + O O ) Reducere-4 +4 0 -2

0

+4 -2

+1 +6 -2

+2 +6 -2

+1 -2

Pb + PbO2 + H2SO4 Pb + PbO2 + 2 H2SO4

PbSO4 + H2O 2 PbSO4 + 2 H2O

Pb Pb + 2e- Oxidare 2e- + Pb Pb Reducere0 +2 +4 +2

+8/3 -2

+2 -2

0

+4 -2

Fe3O4 + CO Fe3O4 + 4 CO

Fe + CO2 3 Fe + 4 CO2

4(C C + 2 e-) Oxidare 3 ( 8/3 e- + Fe Fe ) Reducere+2 +4 +8/3 0

Zn (s) + Cu2+ (aq) ------> Zn2+ (aq) + Cu (s). Eocell = Eocathode - Eoanode Cu2+ + 2 e- ----> Cu este +0.34 V Zn2+ + 2 e- -----> Zn, este-0.76 V Eocell = +0.34 - (-0.76) = +1.10 V

Seria activitatii metalelor

Metalele pot fi aranjate in functie de abilitatea de a dezlocui hidrogenul din combinatiile lui . Cele mai reactive metale sunt cele din grupele 1 si 2 principale. Metalele situate inaintea hidrogenului in seria reactivitatii chimice il pot dezlocui pe acesta din compusii sai. Acestea au caracter metalic pronuntat. Cele situate dupe hidrogen sunt metale considerate mai putin reactive, nu pot dezlocui Hidrogenul din combinatiile acestuia.

2Al + 3H2O p 3H2 + Al2O3

Fe + CuSO4 p Cu + Fe2(SO4)3 Li + H2O p LiOH + H2

Ni

+ NaCl p

K Na Li Ca Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Au

Inlocuiesc hidrogenul din apa

Inlocuiesc hidrogenul din acizi

Nu pot inlocui hidrogenul

Reactiile cu formare de complecsiM + nL: MLn M =atom central care poseda orbitali vacanti care pot gazdui perechi de electroni (acid Lewis) L; = ligand, specie care are capacitatea de a ceda perechi de electroni (baza Lewis)

4 CoCl26H2O + 4 [NH4]Cl + 20 NH3 + O2

4 [Co(NH3)6]Cl3 + 26 H2O

Co2+(aq) + 4 Cl p [CoCl4]2(aq) Co(H2O)62+ + 4 Cl CoCl42(aq) + 6 H2O

CuSO4 +

4 NH3

p Cu(NH3)4SO4

Fe(ClO4)3 + 6KCN

p K3[Fe(CN)6] + 3KClO4

Fe3+ + 6 CN p [Fe(CN)6]3 Fe(H2O)63+ + 6 CN p Fe(CN)63 + 6 H2O

Trecerea unui sistem chimic din starea initiala in starea finala, in anumite conditii de temperature si presiune impuse si cu schimbarea proprietatilor materiei intre cele doua stari se numeste transformare chimica. O transformare chimica poate fi pusa in evidenta experimental prin masurarea unor proprietati a sistemului dat. De exemplu se poate pune in evidenta disparitia cantitativa a unei specii chimice din sistemul initial si aparitia alteia noi in sistemul final utilizand modelul de reactie chimica. Speciile chimice ce dispar in cursul unei transformari se numesc reactanti, iar speciile care apar se numesc produsi de reactie. Intr-o reactie chimica se tine cont de proportiile in care dispar reactivii si apar noii produsi in cursul evolutiei sistemului. Modelul de reactie chimica nu preconizeaza natura fizico-chimica a transformarii conditiile experimentale, durata sau caracterul partial sau total al transformarii.

Sistemul in stare initiala

Transformare chimica

Sistemul in stare finala

Legea conservarii asociata unei reactii chimice O reactie chimica reprezinta un model care se traduce prin rearanjarea legaturilor chimice intre atomii ce intra in discutie. A efectua o reactie chimica inseamna deci a rupe si a reconstrui legaturi chimice. De aici rezulta ca: Numarul de atomi din fiecare element se conserva in timpul unei reactii chimice (legea lui Lavoisier) Sarcina electrica se conserva Foarte riguros, masa nu se conserva in totalitate in timpul unei reactii chimice in care se elibereaza sau se absoarbe energie. In acelasi timp, in reactiile chimice uzuale, variatiile de masa sunt complet neglijabile fata de masa sistemului considerat. Daca discutam aspectul energetic al unei reactii chimice, pentru toate legaturile chimice care se rup in timpul unei reactii chimice este necesar un aport de energie dinspre exterior spre sistemul considerat. La formarea legaturilor chimice are loc o eliberare de energie. Bilantul energetic global al unei reactii chimice este dat de ruperea si formarea tuturor legaturilor din system in timpul transformarii chimice. O reactie chimica in urma careia se elibereaza energie se numeste reactie exoterma, iar una in care se absoarbe energie se numeste reactie endoterma. O reactie in care energia abosbita este egala cu cea cedata se numeste atermica. Ramura chimiei care studiaza pe larg aceste fenomene se numeste termodinamica.

Reactiile de echilibru sunt acele reactii chimice pentru care este adevarata afirmatia : Suma reactivilor=Suma produsilor de reactie Exemplu 2H2+O2=2H2O N2+3H2=2NH3 Cu2++Zn=Cu+Zn2+ Exemplele de mai sus arata ca materia si sarcina electrica totala se conserva in timpul unei reactii chimice. Pentru ca o reactie chimica sa fie de echilibru este imperativ necesar ca atat masa cat si suma sarcinilor electrice sa se conserve. Bilantul unei ecuatii de echilibru poate fi scris sub forma :

Unde Ri se numeste numar stoechiometric ( nu are dimensiune). Acesta indica proportia in care dispar reactantii si apar produsii de reactie. Ri>0 pentru un produs de reactie Ri0 si se noteaza cu +, iar Energia (HL, HQ) cedata de un sistem se considera > Sliquid >> Ssolid Variatia entropiei pentru o reactie chimica de tipul : aA + bB cC +dD Este SR= d SD + c SC - a SA- b SB

(H >0

(S >0

Reactii violente Reactii endoterme

C + D v = kt .[A].[B]

Pentru o reactie reversibila A + B C + D V1 = V2 k1t.[A].[B] = k2t.[C].[D] Kt se numeste constanta de echilibru [C].[D].k1t [A].[B].k2t = kt

Factorii care influenteaz viteza de reactie sunt -natura reactantilor -suprafata de contact -concentratia reactntilor -temperatura de reactie -efectul catalitic