Materiały pomocnicze do nauki chemii w Prywatnym Liceum Ogólnokształcącym dla Dorosłych Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Substancje chemiczne i ich przemiany Pierwiastki i związki chemiczne Obliczenia chemiczne Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. I. Substancje chemiczne i ich przemiany. 1. Zjawiska fizyczne - procesy, w których substancje zmieniają właściwości fizyczne, a rodzaj substancji nie ulega zmianie. Na przykład: wrzenie wody, topnienie lodu. 2. Przemiany chemiczne, reakcje chemiczne - procesy, w których z jednych substancji powstają nowe o odmiennych właściwościach. Na przykład: spalanie żelaza w tlenie, reakcja cynku z kwasem solnym. Substancje, które biorą udział w reakcjach chemicznych to reagenty. Do reagentów należą: substancje wyjściowe - substraty substancje otrzymane w wyniku reakcji - produkty substraty reakcja chemiczna produkty Na przykład w reakcji spalania magnezu w tlenie substratami są magnez i tlen, a produktem - tlenek magnezu. Reakcję można przedstawić następująco: magnez + tlen tlenek magnezu substraty produkt Produkty reakcji mogą różnić się od substratów np. stanem skupienia, barwą, zapachem, rozpuszczalnością, temperaturą wrzenia. Zarówno substraty jak i produkty mają swoje charakterystyczne właściwości fizyczne i chemiczne, które polegają na zdolności reagowania z innymi substancjami. Pytanie i polecenie: 1/ Które z podanych procesów należą do przemian chemicznych, a które są zjawiskami fizycznymi: a/ kiszenie kapusty b/ tworzenie się mgły c/ spalanie drewna Odpowiedź uzasadnij. 3. Substancje proste i złożone. Substancja prosta - pierwiastek w stanie wolnym. Substancja złożona - związek chemiczny w skład, którego wchodzą dwa lub więcej pierwiastki. Substancje chemiczne można zatem podzielić na: substancje proste i złożone. 2 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Pytanie i polecenie: 1/ Podaj 3 przykłady reakcji chemicznych i opisz je używając terminów: pierwiastek, związek chemiczny. 4. Reakcje egzotermiczne i endotermiczne. Energia aktywacji - minimalna ilość energii, jaką muszą posiadać substraty, aby mogła zajść reakcja chemiczna. Reakcje egzotermiczne - reakcje przebiegające z wydzielaniem energii z układu do otoczenia. Reakcje endotermiczne - reakcje przebiegające z przekazywaniem energii z otoczenia do układu. 5. Atomy i cząsteczki. Substancje zbudowane są z molekuł. Pierwiastek w stanie wolnym to zbiór molekuł, które składają się z atomów tego samego rodzaju. Związek chemiczny to zbiór molekuł / cząsteczek /, które są zbudowane z atomów różnych pierwiastków. Przykładem pierwiastka może być: węgiel, żelazo, miedź, sód. Przykładem związku chemicznego może być: woda, dwutlenek węgla, tlenek węgla, kwas solny. Atomy różnych pierwiastków różnią się między sobą masą, objętością, promieniem atomu i zdolnością łączenia się z innymi pierwiastkami. Pierwiastek miedź składa się tylko z atomów miedzi, a pierwiastek węgiel tylko z atomów węgla. A zatem mogą istnieć: molekuły jednoatomowe - np. molekuła / atom / magnezu, atom sodu, atom potasu, molekuły - cząsteczki pierwiastka - zbudowane z atomów tego samego rodzaju, np. dwuatomowe cząsteczki azotu, tlenu, wodoru, molekuły - cząsteczki związku chemicznego - zbudowane z atomów różnych pierwiastków, np. cząsteczka wody. 6. Czynniki wpływające na szybkość reakcji. Reakcja chemiczna może zajść wtedy kiedy dochodzi do zderzeń molekuł substratów. 3 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Nie wszystkie zderzenia prowadzą do otrzymania produktów, nie wszystkie są efektywne. Aby zderzenie było efektywne molekuły muszą mieć dużą energię kinetyczną, czyli muszą mieć energię równą energii aktywacji. Czynnikami wpływającymi na szybkość reakcji są: temperatura stężenie substratów stopień rozdrobnienia substratów katalizator - substancja obniżająca energię aktywacji, która po zakończeniu reakcji zachowuje swoje właściwości. Reakcje przebiegające z udziałem katalizatora to reakcje katalizy. 7. Prawo zachowania masy - prawo Łomonosowa. Suma mas substratów biorących udział w reakcji chemicznej jest zawsze równa sumie mas produktów powstałych w wyniku tej reakcji. Przykład: Podczas rozkładu 30 g tlenku rtęci (II) powstało 27,8 g rtęci oraz tlen. Obliczyć, ile powstało tlenu. Opisaną przemianę można zapisać: tlenek rtęci (II) rtęć + tlen 30 g 27,8 g x Korzystając równanie: z prawa zachowania masy należy ułożyć 30 = 27,8 + x x = 30 - 27,8 x = 2,2 g Pytanie i polecenie: Podczas ogrzewania 2,4 g magnezu powstały 3 g tlenku magnezu. Obliczyć, ile gramów tlenu przyłączył magnez. 4 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. II. Pierwiastki i związki chemiczne 1. Podział pierwiastków: Metale Niemetale Półmetale Metale charakteryzują się: połyskiem metalicznym, kowalnością, ciągliwością, dobrym przewodnictwem ciepła i elektryczności. Niemetale - nie mają połysku metalicznego, przewodnictwo ciepła i elektryczności. Półmetale - wykazują niemetali. częściowo cechy metali, wykazują złe a częściowo Mają niezbyt duże przewodnictwo elektryczne, które gwałtownie, wzrasta w miarę ogrzewania, a także pod wpływem niewielkich domieszek specjalnych substancji. Każdy z pierwiastków zarówno metal, niemetal jak i półmetal ma swoje określone właściwości, które pozwalają go odróżnić od innych pierwiastków. 2. Symbole pierwiastków i wzory chemiczne związków chemicznych. W 1814 r. J. Berzelius - szwedzki chemik wprowadził symbolikę pierwiastków. Symbolem chemicznym pierwiastka jest pierwsza litera jego międzynarodowej nazwy w połączeniu z literą następną / dla pierwiastków naturalnych nazwy łacińskiej /. Przykłady nazw i symboli pierwiastków naturalnych. Nazwa pierwiastka Łacińska nazwa pierwiastka Symbol WAPŃ TLEN WODÓR CALCIUM OXYGENIUM HYDROGENIUM C O H Symbole chemiczne określają nie tylko konkretny pierwiastek ale również jego ilość. 5 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Na przykład: C - oznacza 1 atom węgla 5 C - oznacza 5 atomów węgla 7 Mg - oznacza 7 atomów magnezu Za pomocą symboli można podać także skład cząsteczek. Na przykład: O2 - oznacza 1 dwuatomową cząsteczkę tlenu 2 H2 - oznacza 2 dwuatomowe cząsteczki wodoru MgO - oznacza 1 cząsteczkę tlenku magnezu w skład, której wchodzi 1 atom magnezu i 1 atom tlenu. Wzór sumaryczny wykazuje łączną liczbę atomów poszczególnych pierwiastków wchodzących w skład cząsteczki danego związku. Atomy pierwiastków mogą się ze sobą łączyć za pomocą jednego, dwu lub kilku wiązań chemicznych. Liczba wiązań, za pomocą których atom danego pierwiastka łączy się z atomami innych pierwiastków to wartościowość pierwiastka. Wodór jest w związkach jednowartościowy - atom wodoru tworzy jedno pojedyncze wiązanie. Tlen jest w związkach dwuwartościowy - atom tlenu łączy się z atomami innych pierwiastków za pomocą dwóch wiązań. Wartościowość innych pierwiastków można określić na podstawie wzorów ich związków z wodorem lub z tlenem, np.: glin w związku o wzorze Al2O3 jest trójwartościowy fosfor w związku o wzorze P2O5 jest pięciowartościowy siarka w związku o wzorze SO3 jest sześciowartościowa Te same pierwiastki mogą tworzyć między sobą więcej niż jeden związek, a ich wartościowość może być różna, np.: żelazo w związku o wzorze FeO jest dwuwartościowe żelazo w związku o wzorze Fe2O3 jest trójwartościowe Wzór strukturalny przedstawia sposób w jaki atomy wchodzące w skład cząsteczki łączą się ze sobą. 6 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Na przykład: O / \ H H O \\ O / \ Al O // Al Przykłady wzorów sumarycznych i strukturalnych wybranych związków chemicznych. Wzór sumaryczny Wzór strukturalny H–N–H | H NH3 CO2 O= C =O CO C=O O || S // \\ O O SO3 Fe2O3 O \\ O / \ Fe O // Fe Pytania i polecenia: 1/ Napisz co oznaczają symbole i wzory: a/ 5 Mg, 7 Cu, 2 Fe, 4 Cu b/ O2, 3N2, 5 Cl2, 2H2O, 5HCl 2/ Oznacz za pomocą symboli: 7 atomów żelaza, 5 atomów tlenu, 3 atomy potasu 3/ Określ skład cząsteczek związków o wzorach: P2O5, FeCl2, K2SO4, 4/ Określ wartościowość pierwiastków na podstawie wzorów ich Związków: K2O, CaO, Al2O3 7 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. 3. Prawo stałości składu związku chemicznego. W 1799 r. J. Proust - uczony francuski sformułował prawo stałości składu związku chemicznego. Wynika z niego, że pierwiastki łączą się ze sobą w ściśle określonych stosunkach wagowych. Na przykład: Z rozkładu pewnej próbki wody otrzymano 1 g wodoru i 8 g tlenu. Oblicz, ile wodoru i ile tlenu otrzymamy z rozkładu 36 g wody. Z prawa stałości składu wynika, że w wodzie stosunek wagowy wodoru do tlenu jest stały. Zatem: H ‗ 1 O 8 Próbka o masie 36 g zawiera x gramów wodoru i y tlenu. x + y = 36 x 1 y 8 Rozwiązując układ równań z dwiema niewiadomymi otrzymamy x = 4, y = 32 A zatem z rozkładu 36 g wody otrzymamy 4 g wodoru i 32 tlenu. Pytania i polecenia: 1/ Miedź łączy się tlenem w stosunku wagowym 4 : 1. Oblicz ile gramów miedzi połączy się z 8 g tlenu. 2/ Stosunek wagowy żelaza do tlenu w tlenku żelaza (II) wynosi 7 : 2, a stosunek żelaza do tlenu w tlenku żelaza (III) wynosi 7 : 3. Czy fakty te stanowią wyjątek od prawa stałości składu? Odpowiedź uzasadnij. 8 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. 4. Mieszanina a związek chemiczny. Mieszanina np. sól kuchenna z piaskiem Związek chemiczny np. siarczek żelaza (II) - stosunek mas składników mieszaniny może być dowolny - stosunek mas pierwiastków, składniki mieszaniny zachowują swoje właściwości chemiczne - związek chemiczny ma swoje charakterystyczne właściwości odmienne od właściwości substancji, z których pochodzi - składniki mieszaniny można wyodrębnić metodami fizycznymi. - składniki związku chemicznego można wyodrębnić tylko poprzez reakcję chemiczną. składników związku chemicznego, jest ściśle określony 5. Typy reakcji chemicznych. Równanie chemiczne - zapis reakcji chemicznej za pomocą symboli i wzorów chemicznych. Reakcja syntezy /łączenia/-z dwu lub większej liczby substratów powstaje jeden produkt. Ogólnie: A + B AB np. 2 Na + Cl2 2NaCl 2 Mg + O2 2MgO 4 P + 5 O2 2P2O5 Reakcja analizy / rozkładu / - z jednej substancji powstaje dwie lub więcej nowych substancji. Ogólnie: AB A + B np. 2 HgO 2 Hg + O2 2 H2O 2H2 + O2 Reakcja wymiany pojedynczej - wymiana składników między substratami, jeden ze składników jest substancją prostą. Ogólnie: A + BC AC + B np. 2 K + 2 HCl 2 KCl + H2↑ Mg + H2CO3 MgCO3 + H2↑ 2 Na + H2SO4 Na2SO4 + H2↑ 9 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Reakcja wymiany podwójnej - reakcja pomiędzy substancjami złożonymi, która polega na wzajemnej wymianie składników. Ogólnie: AB + CD AD + CB Np. 3 MgO + 2 H3PO4 Mg3 (PO4)2 + 3 H2O Ca (OH)2 + H2CO3 CaCO3 + 2 H2O KOH + HNO3 KNO3 + H2O Pytania i polecenia: 1/ Ułóż równania reakcji: K2O + HNO3 MgO + H3PO4 Fe (OH)2 + H2SO4 MgO + SO2 CaO + CO2 6. Klasyfikacja substancji nieorganicznych. Substancje nieorganiczne można podzielić na następujące grupy: tlenki wodorki wodorotlenki kwasy sole Tlenki to połączenia różnych pierwiastków z tlenem. Można je podzielić na: - tlenki metali i niemetali - tlenki zasadowe, tlenki kwasowe i tlenki obojętne Tlenki metali to produkty reakcji metali z tlenem. np. 2 Mg + O2 2 MgO, 4 K + O2 2 K2O Ogólny wzór tlenków ma postać: a/ dla metali jednowartościowych M2O b/ dla metali dwuwartościowych MO c/ dla metali trójwartościowych M2O3 d/ dla metali czterowartościowych MO2 gdzie M oznacza symbol metalu 10 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Wzór tlenku Wybrane tlenki metali Nazwa tlenku Wartościowość K2O MgO CaO Al2O3 ZnO tlenek potasu tlenek magnezu tlenek wapnia tlenek glinu tlenek cynku Metale tworzące te tlenki mają we wszystkich związkach tę samą wartościowość FeO Fe2O3 Cu2O CuO tlenek żelaza (II) tlenek żelaza (III) tlenek miedzi (I) tlenek miedzi (II) Metale tworzące te tlenki przyjmują w różnych związkach różną wartościowość PbO Cl2O3 SnO2 tlenek ołowiu (II) tlenek chromu (III) tlenek cyny (IV) Najbardziej trwałe tlenki metali, które przyjmują w związkach różną wartościowość Tlenki niemetali to produkty reakcji niemetali z tlenem. Np. S + O2 SO2, C + O2 CO2 Wybrane tlenki niemetali Wzór tlenku Nazwa tlenku Wartościowość tlenku CO CO2 NO NO2 SO2 SO3 tlenek węgla dwutlenek węgla - tlenek węgla (IV) tlenek azotu dwutlenek azotu - tlenek azotu (IV) dwutlenek siarki tlenek siarki (IV) trójtlenek siarki tlenek siarki (VI) II) IV II IV IV VI Tlenki zasadowe - tlenki metali np. K2O, Na2O, CaO, MgO, Które w reakcji z wodą dają nowe substancje chemiczne zwane zasadami. Reakcja tlenku wapnia z wodą może być zapisana równaniem: CaO + H2O Ca (OH)2 A reakcja tlenku potasu z wodą przebiega następująco: K2O + H2O 2 KOH 11 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Tlenki kwasowe - tlenki niemetali, które w reakcji z wodą tworzą kwasy lub które uzyskuje się przez odwodnienie kwasów. Do tlenków kwasowych należą m.in. CO2, P2O5, SO2 SO3. Reakcja dwutlenku węgla z wodą przebiega wg równania: CO2 + H2O H2CO3 a w przypadku innych tlenków: P2O5 + 3 H2O 2 H3PO4 SO3 + H2O H2SO4 Tlenki obojętne - NO, CO Wodorki to dwuskładnikowe związki pierwiastków z wodorem. Można je podzielić na: - wodorki metali np. LiH, BeH2, B2H6, NaH, CaH2 - wodorki niemetali np. NH3, H2O, HF, PH3, H2S, HCl Wodorotlenki Wodorotlenki to związki, we wzorach których wyróżnia się symbol metalu i grupę wodorotlenową OH. Wzór ogólny - Me (OH)n gdzie Me - metal OH - grupa wodorotlenowa n - liczba grup wodorotlenowych, jednowartościowych, która jest równa wartościowości metalu Wodorotlenki można podzielić na: - zasadowe - amfoteryczne Wybrane wodorotlenki Wzór wodorotlenku Nazwa wodorotlenku NaOH KOH Ca(OH)2 Ba(OH)2 Al(OH)3 CuOH Cu(OH)2 Fe(OH)2 Fe(OH)3 wodorotlenek sodu - zasada sodowa wodorotlenek potasu - zasada potasowa wodorotlenek wapnia - zasada wapniowa wodorotlenek baru - zasada barowa wodorotlenek glinu wodorotlenek miedzi (I) wodorotlenek miedzi (II) wodorotlenek żelaza (II) wodorotlenek żelaza (III) 12 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Wodne Zasady - roztwory wodorotlenków to zasady. powodują zmianę barwy wskaźników: lakmus na niebiesko fenoloftaleina na malinowo - błękit bromotymolowy na żółto Należy pamiętać, że: Każda zasada jest wodorotlenkiem, a nie każdy wodorotlenek jest zasadą. np. NaOH - wodorotlenek sodu, zasada sodowa Fe(OH)3 - wodorotlenek żelaza (III) Zasady można otrzymać w reakcjach: 2 K + 2 H2O 2 KOH + H2 2 Na + 2 H2O 2 NaOH + H2 K2O + H2O 2 KOH Na2O + H2O 2 NaOH Wodorotlenki np. Fe(OH)3, Cu(OH)2 można otrzymać nie w reakcjach metali z wodą ale w reakcjach rozpuszczalnych soli tych metali z mocnymi zasadami. Otrzymywanie Cu(OH)2 przebiega wg reakcji: CuSO4 + 2 NaOH Cu(OH)2↓ + Na2SO4 Cu(OH)2↓ - związek nierozpuszczalny w wodzie. Wodorotlenki amfoteryczne. Są to związki, które reagują z kwasami i zasadami w odróżnieniu od wodorotlenków zasadowych reagujących tylko z kwasami. np. 2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + 6 H2O Al(OH)3 + NaOH NaAlO2 + 2 H2O Pytania i polecenia: 1/ Określ wartościowość metali w związkach: Al(OH)3, Mg(OH)2, Ba(OH)2, NaOH 2/ Napisz równanie reakcji tlenków zasadowych z wodą, w wyniku których powstają wodorotlenki sodu, potasu, baru Kwasy Kwasy są zbudowane z wodoru i z reszty kwasowej. Wzór ogólny kwasów: HnR gdzie: H - wodór R - reszta kwasowa n - liczba atomów wodoru równa wartościowości reszty kwasowej Reszty kwasowe poszczególnych kwasów mają stałą wartościowość równą liczbie atomów wodoru w cząsteczce. 13 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Kwasy można podzielić na: - kwasy tlenowe - kwasy beztlenowe Do kwasów tlenowych należą m.in.: H2SO3 - kwas siarkowy (IV) H2SO4 - kwas siarkowy (VI) H2CO3 - kwas węglowy H3PO4 - kwas fosforowy (V) HNO2 - kwas azotowy (III) HNO3 kwas azotowy (V) Do kwasów beztlenowych należą m.in.: HCl - kwas chlorowodorowy HBr - kwas bromowodorowy H2S - kwas siarkowodorowy Kwasy można otrzymać w reakcjach: SO3 + H2O H2SO4 CO2 + H2O H2CO3 P2O5 + 3 H2O 2 H3PO4 H2 + Cl2 2 HCl H2 + S H2S Wodne roztwory kwasów barwią wskaźniki: lakmus - na czerwono oranż metylowy - na czerwono Pytania i polecenia: 1/ Napisz równanie reakcji tlenków niemetali z wodą, w wyniku których powstają kwasy: azotowy (V), fosforowy (V) 2/ Podaj wartościowości reszt kwasowych kwasów: H3BO3, HCl, HNO3. Sole. Sole są związkami chemicznymi o wzorze ogólnym MnRm gdzie: M - metal R - reszta kwasowa n - liczba atomów metalu równa wartościowości reszty kwasowej m - liczba reszt kwasowych równa wartościowości metalu Sole można otrzymać w wyniku reakcji: 14 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. + + KWAS METAL NIEMETAL METAL TLENEK METALU SÓL + WODOROTLENEK METALU WODOROTLENEK METALU Nazwy soli pochodzą od wodorotlenku metalu. Nazwy soli podstawowych kwasów Wzór kwasu Nazwa kwasu HCl H2S HNO2 HNO3 H2SO3 H2SO4 H2CO3 chlorowodorowy siarkowodorowy azotowy (III) azotowy (V) siarkowy (IV) siarkowy (VI) węglowy TLENEK NIEMETALU kwasów i metalu a dokładniej Przykłady soli Mg Wzór Nazwa Reszta kwasowa - Cl >S - NO2 - NO3 > SO3 > SO4 > CO3 MgCl2 MgS Mg(NO2)2 Mg(NO3)2 MgSO3 MgSO4 MgCO3 chlorek magnezu siarczek magnezu azotan (III) magnezu azotan (V) magnezu siarczan (IV) magnezu siarczan (VI) magnezu węglan magnezu Przykłady reakcji otrzymywania soli: Ca + H2SO4 CaSO4 + H2 CaO + H2SO4 CaSO4 + H2O Ca(OH)2 + CaSO4 + 2 H2O CaO + SO3 CaSO4 Ca(OH)2 + SO3 CaSO4 + H2O 2 Na + 2 HCl 2 NaCl + H2 Na2O + 2 HCl 2 NaCl + H2O 2 Na + Cl2 2 NaCl Na2CO3 + CaCl2 2 NaCl + CaCO3 15 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone. Centrum Kształcenia Dorosłych Sp. z o.o. Pytania i polecenia: 1/ Ułożyć równania reakcji: K2O + HNO3 MgO + H3PO4 CaO + HNO2 KOH + HCl Mg(OH)2 + P2O5 MgO + SO2 2/ Ułożyć równania reakcji otrzymywania NaNO3 pięcioma metodami. 3/ Podać wzory następujących soli: siarczan (VI) miedzi (II), azotan (III) wapnia, fosforan (V) potasu, chlorek żelaza (II), bromek sodu. 16 Zakaz kopiowania. Wszelkie prawa zastrzeżone.