Rodzaje reakcji chemicznych

Reakcja chemiczna jest przemianą prowadzącą do powstania związków chemicznych o innych właściwościach niż substancje wyjściowe (substraty). Symbolicznym zapisem tego procesu jest równanie reakcji, które uwzględnia proporcje poszczególnych reagentów. Reakcje przebiegają z różną szybkością, wyrażana jako zmiana stężenia w jednostce czasu. Wielkość ta zależy wprost proporcjonalnie do iloczynu stężeń reagentów.

Typy reakcji chemicznych:

  • Synteza

Przykłady:

Cu + 1/2O2 = CuO

2Cu + 1/2O2 = Cu2O

  • Analiza

Przykład:

KClO3 = KCl + 3/2O2

  • Wymiana pojedyncza

Przykład:

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

  • Wymiana podwójna

Przykład:

HCl + NaOH = NaCl + H2O

Podział reakcji ze względu na rodzaj efektu cieplnego:

  • Reakcje egzotermiczne, w których następuje wydzielenie ciepła
  • Reakcje endotermiczne, w których należy dostarczyć ciepło do układu

Reakcje chemiczne mogą zachodzić w jednej fazie (reakcje homogeniczne), a także w różnych (reakcje heterogeniczne).

Procesy te mogą przebiegać ze zmianą stopnia utlenienia, z transferem elektronów od reduktora do utleniacza. Nazywa się je reakcjami redoks (utlenienia - redukcji).

Reakcje dysocjacji kwasów i zasad

Dysocjacja elektrolityczna jest odwracalnym procesem polegającym na rozpadzie na jony (kationy i aniony)

pod wpływem rozpuszczalnika - wody.

Kwasy, według teorii Arheniusa, są substancjami, które dysocjują na kationy wodorowe i aniony reszty kwasowej pod wpływem wody.

Zasady, według teorii Arheniusa, są substancjami, które dysocjują na kationy metali i aniony reszty wodorotlenkowej pod wpływem wody.

Kwasy, według teorii Bronsteda i Lowrey'ego, są substancjami, mogącymi oddawać protony (donor). Zasady, według teorii Bronsteda i Lowrey'ego, są substancjami, mogącymi przyjmować protony (akceptor).

Proces hydrolizy

Hydroliza polega na reakcji jonów jakiegoś związku z wodą w wyniku czego pojawia się odczyn kwaśny lub zasadowy.

Związki o charakterze amfoterycznym

Substancje amfoteryczne reagują zarówno z kwasami jaki i zasadami, a więc mogą przyjmować i oddawać elektrony, w zależności od środowiska reakcji.

Przykłady:

1. Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O

2. H3AlO3 + 3NaOH = Na3AlO3 +3H2O

Szybkość reakcji

Definiuje się jako ilość przereagowanego substratu albo utworzonego produktu w jednostce czasu i objętości.

Szybkość reakcji zależy od:

  • Temperatury (wzrost wykładniczy)
  • Stężenia (wzrost co najmniej stężenia jednego substratu)
  • Powierzchni reakcyjnej (w przypadku układów heterogenicznych, zwiększenie powierzchni przyspiesza reakcję)
  • Pozostałe:
  • światło,
  • rodzaj rozpuszczalnika,
  • ciśnienie,
  • katalizatory,
  • inhibitory

Reakcje chemiczne mogą zostać przyspieszone przy użyciu katalizatorów lub zmniejszone dzięki inhibitorom. Zależnie od stanu skupienia katalizatora kataliza może być homogeniczna, gdy katalizator jest w tej samej fazie co substraty albo heterogeniczna, gdy katalizator jest w innej fazie. W wyjątkowych przypadkach mamy

do czynienia z autokatalizą, kiedy produkty reakcji są jednocześnie katalizatorami.

Reguła Le Chateliera - Brauna

Inaczej nazywana regułą przekory. Głosi ona, że jeśli układ zostaje wytrącony ze stanu równowagi to układ ten będzie dążył do takiego procesu, przeciwdziałającego zakłóceniom, by powstał nowy stan równowagi.

Napięcie powierzchniowe

Powstaje ono wskutek oddziaływania cząsteczek między sobą siłami Van der Wasala we wnętrzu

i na powierzchni cieczy. Napięcie jest proporcjonalne do pracy i odwrotnie proporcjonalne do przyrostu powierzchni cieczy.

Napięcie powierzchniowe można określić używając następujących metod:

  • kapilarnej
  • stalagmometrycznej
  • ciśnieniowej

Metody analityczne

Podstawowymi metodami stosowanymi w chemii analitycznej jest analiza wagowa i miareczkowa. Ta ostatnia polega na miareczkowaniu roztworu o nieznanym stężeniu titrantem (roztwór mianowany). Miareczkowanie prowadzi się do tzw. punktu równoważnikowego, kiedy oznaczana substancja przereagowała całkowicie,

a obserwowany dzięki zmianie zabarwienia wskaźnika. Nieznane stężenie wyznacza się korzystając z równania reakcji oraz prawie Prousta.

Elektrochemia

Podział przewodników:

  • I - wszego rodzaju, gdy nie mamy do czynienia z przepływem masy (przewodniki elektronowe)
  • II - go rodzaju, kiedy oprócz przepływu prądu następuje przepływ masy (przewodniki jonowe)

Elektrodę (półogniwo) składa się z metalu umieszczonego w roztworze zawierającym jony tego metalu.

Rodzaje elektrod:

  • Redoksowa
  • Gazowa
  • Metaliczna (składająca się z soli nierozpuszczalnej tego metalu)

Każde ogniwo charakteryzuje się siła elektromotoryczną (SEM), którą definiuje się jako różnicę potencjałów poszczególnych elektrod w niepracującym ogniwie.

Typy ogniw:

  • Galwaniczne, które w trakcie pracy powoduje przepływ prądu elektrycznego, następuje przemieszczenie się elektronów z reduktora do utleniacza
  • Daniela, zbudowane z półogniwa: cynkowego (metal znużony w siarczanie(VI) cynku) i półogniwa miedziowego (miedź znużona w siarczanie (VI) miedzi)
  • Stężeniowe, w których SEM powstaje dzięki różnicy stężeń w półogniwach

Elektroliza jest procesem odwrotnym do pracy ogniwa. Do jej przebiegu niezbędne jest dostarczenie prądu elektrycznego. Na początku następuje migracja jonów w kierunku elektrod, które ulegają dejonizacji,

na katodzie następuje redukcja, a anodzie utlenianie.

Ilość utworzonego produktu jest proporcjonalna do ilości przepływającego ładunku elektrycznego. Stwierdzenie to stanowi treść prawa Faradaya.

Korozja jest również związana z procesami elektrochemicznymi oraz wpływem środowiska (powietrze, woda). Metal niszczeje, najpierw na powierzchni, a potem stopniowo wewnątrz.

Twardość wody

Jest ona związana z obecnością węglanów i siarczanów wapnia oraz magnezu.

Typy twardości:

  • wapniową
  • magnezową
  • węglanową
  • niewęglanową

pH

Wartość pH mówi nam czy dany roztwór ma odczyn kwasowy, obojętny czy zasadowy. Jest ona funkcją stężenia katonów [H3O+] w danym roztworze:

pH = -log10[H3O+]

Gdy pH przyjmuje wartości mniejsze od 7, wówczas roztwór ma odczyn kwaśny, kiedy pH = 7 - obojętny,

a powyżej 7 - zasadowy.

PH przyjmuje wartości od 0 do 14.

Zjawisko adsorpcji

Polega ono na przyleganiu jakiejś substancji (adsorbent) do powierzchni ciała stałego albo cieczy (nazywana adsorbentem) w wyniku czego substancja ta ulega zagęszczeniu.

Zjawisko absorpcji

Polega na pochłanianiu przez ciecz albo ciało stałe danej substancji.

Termochemia

Wygodną metoda opisu efektów cieplnych reakcji jest podanie entalpii reakcji. Jest ona funkcją stanu, dlatego też nie zależy od drogi przemiany, definiowanej jako:

H = U + pV

Gdzie U - energia wewnętrzna

p - ciśnienie

V - objętość

W warunkach izotermiczno - izochorycznych lub izobaryczno - izochorycznych, efekt cieplny reakcji zależy jedynie od stanu początkowego i końcowego, a nie zależy od drogi przemiany. Treść tego stwierdzenia stanowi prawo Hessa.

Osmoza

Jest zjawiskiem występującym często w organizmach żywych, np. miedzy komórkami. Polega ona

na samorzutnym przedostawaniu się rozpuszczalnika, najczęściej wody, z roztworu o mniejszym stężeniu

do roztworu o większym stężeniu przez błonę półprzepuszczalną.