REACTII CHIMICE

REACTII CHIMICE

Reactia chimica reprezinta fenomenul prin care una sau mai multe substante se transforma in alte substante, fara a afecta natura atomilor constituenti ai substantelor transformate.

In mediul inconjurator pot fi observate numeroase reactii, desi majoritatea acestora au o desfasurare lenta. Cateva exemple in acest sens sunt: ruginirea pieselor din otel, fermentatia alcoolica, inverzirea frunzelor datorita formarii clorofilei, arderea combustibilor.

Reactiile chimice pot fi puse in evidenta prin urmatoarele manifestari:

a. Formarea bulelor de gaz

Daca se introduce o bucata de zinc intr-o solutie de acid clorhidric se constata desfasurarea unei reactii in urma careia se degaja hidrogen (figura 1).

Mult mai violenta este reactia sodiului cu apa, produsul de reactie fiind tot hidrogenul (figura 2).

b. Formarea precipitatelor

Daca intr-o solutie de azotat de plumb se toarna solutie de dicromat de sodiu, se constata aparitia unui precipitat de culoare galbena constituit din dicromat de plumb greu solubil (figura 3).

c. Modificarea culorii

Substantele absorb lumina de anumite lungimi de unda, astfel incat ele apar colorate diferit. Culoarea substantelor este o caracteristica a acestora. Modificarea naturii unei substante printr-o reactie chimica poate duce deseori la modificari de culoare. Astfel, daca intr-o solutie incolora de tiocianat de amoniu se toana o solutie de alaun feriamoniacal se constata colorarea solutiei in rosu intens datorita formarii tiocianatului de fier (III).

Trebuie remarcat faptul ca modificarea culorii poate fi si semnul desfasurarii unor procese fizice, nu neaparat chimice.

d. Efecte termice

Transformarile substantelor au loc prin scindarea unor legaturi chimice si formarea altora noi. Intrucat energia legaturilor chimice este apreciabila, este de asteptat ca desfasurarea unor reactii chimice sa fie insotita de importante efecte termice. Se cunosc multe exemple de reactii care au loc cu degajare de caldura (exoterme) si reactii care au loc cu absorbtie de caldura (endoterme). De exemplu, in reactia dintre oxidul de calciu (var nestins) si apa se degaja o cantitate mare de caldura care poate aduce apa la fierbere. Dimpotriva, la reducerea oxidului de fier Fe₃O₄ cu hidrogen este necesar un important aport de caldura din exterior, reactia fiind endoterma.

e. Aparitia flacarii este un alt semn de desfasurare a unei reactii chimice. Elocvente in acest sens sunt reactiile de ardere a hidrocarburilor. Flacara care apare la becul Bunsen este semnul decurgerii reactiei de oxidare a metanului cu oxigenul din aer (figura 4).

f. Modificarea proprietatilor fizice ale solutiilor este o alta dovada a desfasurarii unei reactii chimice. O astfel de proprietate este conductanta. Daca intr-un vas cu solutie de acid clorhidric se adauga o solutie de hidroxid de sodiu, cu ajutorul unui conductometru se poate constata micsorarea conductantei solutiei pana la neutralizarea completa a acidului.

2. Reprezentarea reactiilor chimice se face cu ajutorul ecuatiilor chimice. Substantele care se transforma intr-o reactie chimica sunt denumite reactanti, iar substantele care se formeaza sunt denumite produsi de reactie. Intr-o ecuatie chimica reactantii se trec in termenul stang al ecuatiei, iar produsii de reactie in termenul drept. Intrucat in cursul unei reactii chimice nu se modifica natura atomilor substantelor, ecuatiile chimice se egaleaza astfel incat numarul atomilor unui anumit element din membrul stang sa fie egal cu cel din membrul drept.

Sa consideram reactia chimica dintre hidrogen si clor, in urma careia se formeaza acid clorhidric:

H₂ + Cl₂ = 2HCl (1)

Pentru acidul clorhidric se alege coeficientul 2 astfel incat, atat numarul atomilor de clor, cat si numarul atomilor de hidrogen sa nu se modifice in desfasurarea reactiei.

Stabilirea coeficientilor se poate face si algebric. De exemplu, reactia de oxidare a amoniacului se scrie sub forma:

xNH₃ + yO₂ = zNO + wH₂O (2)

Avand in vedere faptul ca in cursul reactiei numarul de atomi de N, O si H nu se modifica, se obtine sistemul de trei ecuatii cu 4 necunoscute:

x = z

3x =2w

2y = z + w

Sistemul poate fi rezovat admitand x = 1. Rezulta: z =1; w = 3/2; y = 5/4. Pentru ca toti coeficientii sa fie intregi, acestia se inmultesc cu 4. Reactia (2) devine:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O (3)

Semnificatia primara a ecuatiei chimice (1) este faptul ca o molecula de hidrogen interactioneaza cu o molecula de clor pentru a forma doua molecule de acid clorhidric. In cursul acestei transformari sunt scindate legaturile covalente H - H si Cl - Cl, realizandu-se noile legaturi covalente H -Cl.

Ecuatiile chimice poseda proprietatile ecuatiilor matematice. Prin urmare, ecuatia (1) poate fi amplificata cu numarul lui Avogadro, obtinandu-se:

N_A H₂ + N_A Cl₂ = 2 N_A HCl (4)

Din ecuatia (4) rezulta a doua semnificatie a ecuatiei chimice: 1 mol de hidrogen reactioneaza cu 1 mol de clor pentru a se obtine 2 moli de acid clorhidric.

In unele situatii, pentru a nu crea confuzii, formulele chimice ale reactantilor si ale produsilor de reactii sunt urmate de simbolul starii de agregare scris intre paranteze:

2Na (s) + 2H₂O (l) = 2NaOH (aq) + H₂ (g) (3)

Se folosesc urmatoarele simboluri: s - solid, l - lichid, g - gaz, aq - solutie apoasa.

3. Clasificarea reactiilor chimice

Este dificila alegerea unui criteriu unic si bine definit de clasificare a reactiilor chimice. Un criteriu de clasificare a reactiilor chimice ar putea fi modul in care reactantii interactioneaza pentru a forma produsii de reactie. Pe baza acestui criteriu se deosebesc: reactii de combinare (sinteza), reactii de descompunere, reactii de substitutie simpla si reactii de substitutie dubla (reactii de dublu schimb).

Reactiile de combinare (sinteza) sunt reactii in care interactioneaza doua substante pentru a forma un singur compus. Exista foarte multe exemple in acest sens:

N₂ + 3H₂ = 2NH₃

Fe + S = FeS

Ca + Cl₂ = CaCl₂

2C + H₂ = C₂H₂

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

Reactiile de descompunere sunt transformari in care dintr-o substanta se formeaza doua sau mai multe substante:

CaCO₃ = CaO + CO₂

4C₃H₅(ONO₂)₃ = 12CO₂ + 10H₂O + 6N₂ + O₂

4NH₄NO₃ = 3N₂ + N₂O₄ + 8H₂O

Fe₂(SO₄)₃ = Fe₂O₃ + 3SO₃

Reactii de sustitutie simpla sunt transformari in care un element sau un grup de elemente dintr-o combinatie este inlocuit cu un alt element sau grup de elemente:

Fe + CuSO₄ = Cu + FeSO₄

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

Cl₂ + 2KI = 2KCl + I₂

Reactii de substitutie dubla sau reactii de dublu schimb sunt transformari in care se schimba doua elemente sau grupari de elemente intre doua combinatii chimice:

Pb(NO₃)₂ + 2KI = PbI₂ + 2KNO₃

AgNO₃ + KCl = AgCl + KNO₃

H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄ + 2HCl

CaCl₂ + K₂CO₃ = CaCO₃ + 2KCl

Un caz special al reactiilor de substitutie dubla il constituie reactiile dintre un acid si o baza:

H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O

Daca, de exemplu, se alege natura reactantilor in calitate de criteriu de clasificare am putea avea foarte multe tipuri de reactii: reactiile elementelor, reactiile acizilor, reactiile bazelor, reactiile sarurilor, reactiile oxizilor, reactiile compusilor organici si multe altele. Demne de retinut din clasificarea pe baza naturii reactantilor sunt reactiile de combustie, care sunt reactii ale oxigenului cu combinatiile carbonului care contin hidrogen si/sau alte elemente, cum ar fi oxigenul, sulful, azotul. Exemple in acest sens sunt procesele de ardere ale unor hidrocarburi (toluen, metan, acetilena), alcooli (metanol), compusi cu sulf (tiofen):

C₆H₅-CH₃ + 9O₂ = 7CO₂ + 4H₂O

CH₄ + 2O₂ = CO₂ +2H₂O

2C₂H₂ + 5O₂ = 4CO₂ + 2H₂O

2CH₃OH + 3O₂ = 2CO₂ + 2H₂O

C₄H₄S + 6O₂ = 4CO₂ + 2H₂O + SO₂

Tot reactie de combustie poate fi considerata si arderea carbonului:

C + O₂ = CO₂

Frecvente, atat in chimia anorganica, cat si in chimia organica sunt reactiile de hidroliza, in care reactantul este apa:

Al₂(SO₄)₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂SO₄

R-CN + H₂O = R-CONH₂

Reactiile de precipitare si reactiile de complexare sunt clase de reactii pentru care criteriul de clasificare este natura produsilor de reactie:

Pb(NO₃)₂ + K₂SO₄ = PbSO₄ + 2KNO₃

CoCl₃ + 6NH₃ = [Co(NH₃)₆]Cl₃

Reactiile chimice se desfasoara printr-o succesiune de procese de scindare si formare a legaturilor chimice. Secventa etapelor care intervin in desfasurarea unei reactii se numeste mecanism de reactie. Etapele unei reactii chimice pot avea loc succesiv sau simultan (sincron).

In foarte multe cazuri, reactiile chimice pot fi considerate ca un proces de transfer al unor specii chimice de la o molecula la alta, urmat de o reorganizare a structurii la nivel molecular. De exemplu, reactiile de oxido-reducere pot fi considerate ca procese de transfer de electroni, iar reactiile de neutralizare pot fi asimilate, in general, cu procese de transfer de protoni.

De exemplu, reactia de oxidare a ionilor de Fe²⁺ cu are la baza procesul de transfer de electroni de la ionii de Fe²⁺ la

2KMnO₄ + 8H₂SO₄ + 10 FeSO₄ = 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 8H₂O

Similar, reactia de neutralizare a amoniacului cu acid acetic poate fi asimilata cu transferul protonilor de la molecula de acid acetic la molecula de amoniac, rezultatul transferului fiind formarea ionului amoniu:

CH₃COOH + NH₃ = CH₃COONH₄

In chimia organica, reactiile chimice sunt de obicei transformari de desfacere si refacere a legaturilor covalente. Exista trei tipuri fundamentale de astfel de reactii: substitutie, aditie si eliminare. In general, molecula substantei organice care sufera transformari este numita substrat, iar reactantul cu ajutorul caruia se produc aceste transformari este numit reactiv.

Substitutia este reactia in care este inlocuit un atom sau o grupare atasata de un atom de carbon cu un alt atom sau grupare:

CH₃-CH₂-Cl + NaOH = CH₃-CH₂-OH + NaCl

Aditia este transformarea care conduce la marirea numarului de atomi sau grupari atasate de atomii de carbon ai substratului:

HCºCH + HCN => H₂C=CH-CN

Eliminarea este inversa aditiei si conduce la micsorarea numarului de atomi sau grupari legate la atomii de carbon:

CH₃-CH₂-OH => H₂C=CH₂ + H₂O

Reactiile de scindare a legaturilor covalente C-C pot fi interpretate tot ca procese de eliminare.

Practic, toate reactiile organice se pot incadra in unul dintre aceste trei tipuri. O categorie distincta o reprezinta transpozitiile, care sunt transformari de rearanjare a structurii moleculare:

N-Metilanilina 2-Metilanilina 4-Metilanilina

(o-Toluidina) (p-Toluidina)

Stoechiometrie

Stoechiometria este partea chimiei care are ca obiect stabilirea relatiilor cantitative intre reactanti si produsii de reactie. Numele de stoechiometrie provine din greaca: stoicheon inseamna element, iar metron - masura. Deci, stoechiometria este stiinta masurarii elementelor.

Asa cum s-a vazut mai inainte, intrucat masele particulelor elementare, ale atomilor si ale moleculelor sunt extrem de mici si este dificil sa se opereze cu asemenea valori, a fost introdusa unitatea atomica de masa (uam), care reprezinta a 12-a parte din masa atomului de carbon

1 uam = 1,6605 10^-27 kg

Pe baza unitatii atomice de masa au fost determinate masele atomice (relative) ale tuturor elementelor. In general, masele atomice sunt numere fractionare intrucat elementele sunt constituite din mai multi izotopi. Cunoscand masele atomice se pot calcula masele moleculare (relative), prin insumarea maselor relative ale tuturor atomilor din molecula. In cazul combinatiilor ionice, care nu sunt constituite din molecule propriu-zise, se calculeaza masa relativa a multimii de atomi din formula empirica. Aceasta "masa formulara" este numita tot "masa moleculara", desi termenul nu este riguros. De exemplu, masa moleculara a apei este 2 1 + 16 = 18, iar a acidului sulfuric este 2 16 = 98. La fel se calculeaza si masa moleculara a NaCl: 23 + 35,5 = 58,5 sau a sulfatului de cupru: 63,5 + 32 + 4

In ecuatiile chimice, cu ajutorul coeficientilor, este indicat raportul intre numarul de molecule ale reactantilor si produsilor de reactie. Pentru a putea utiliza entitati numarabile si la nivel macroscopic a fost introdusa notiunea de mol.

Molul a fost definit initial prin masa de substanta, exprimata in grame, numeric egala cu masa moleculara a substantei respective.

Prin urmare, 1 mol de H₂SO₄ este cantitatea de substanta care contine 98 g H₂SO₄. Inseamna ca masa molara a H₂SO₄ este 98 g/mol = 98 10^-3 kg/mol.

Definitia molului, unitate fundamentala in Sistemul international de unitati este urmatoarea:

Molul este cantitatea de substanta a unui sistem care contine atatea entitati elementare cati atomi exista in 0,012 kg carbon

Acest numar de unitati elementare este egal cu 6,022 10²³ si este numit numarul lui Avogadro (N_A). Numarul lui Avogadro se refera la diferite entitati elementare, care pot fi: molecule, atomi, ioni sau electroni.

Determinarea formulei brute a substantelor

Formula bruta a unei substante, care indica natura atomilor constituenti si raportul dintre numarul acestora, poate fi determinata pe baza compozitiei procentuale obtinuta prin analiza chimica. De exemplu, compozitia elementala a unei substante este: Na - 43 %; C - 11,3 % si O - 45,3 %. Masele atomice ale elementelor componente sunt: Na - 23; C - 12 si O - 16.

Formula bruta a substantei este de forma Na_xC_yO_z.

Se impart valorile obtinute la cea mai mica dintre ele si se obtine: x = 2; y = 1 si z = 3.

Formula bruta a substantei este: Na₂CO₃.

Calcule stoechiometrice

Calculele stoechiometrice se bazeaza pe legea conservarii masei:

Intr-o reactie chimica, masa reactantilor este egala cu masa produsilor de reactie. Se poate spune ca in cursul unei reactii chimice masa se conserva.

Sa consideram o reactie cunoscuta si suficient de rapida, cea dintre sodiul metalic si apa, care se desfasoara conform ecuatiei chimice:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

Mase atomice: Na - 23; H - 1; O - 16.

Sa admitem ca intr-un vas cu apa suficient de multa se introduc 0,23 g sodiu. Ne punem problema sa calculam cantitatea (masa) de apa care a reactionat, precum si cantitatile (masele) de hidroxid de sodiu si hidrogen care au rezultat in urma reactiei.

Cantitatea de apa care a reactionat cu sodiul:

23 g Na .......... 2 18 g H₂O

0,23 g Na .......... x g H₂O

g H₂O

Similar se calculeaza masa de NaOH rezultat:

23 g Na .......... 2 40 g NaOH

0,23 g Na .......... x g NaOH

g NaOH

Masa de hidrogen care rezulta:

23 g Na .......... 2 g H₂

0,23 g Na .......... x g H₂

g H₂

Se poate calcula direct volumul de H₂ care rezulta din reactie in conditii normale de temperatura si presiune:

23 g Na .......... 22,4 L H₂ (cn)

0,23 g Na .......... x L H₂ (cn)

L H₂ (cn)

Pentru a calcula volumul de hidrogen care se degaja in conditii diferite de cele normale se folosesc ecuatiile de stare ale gazelor perfecte.

In exemplul dat s-a specificat ca masa de apa este in cantitate suficienta, adica sensibil mai mult decat este necesar pentru reactia cu sodiul. Reactia decurge pana la consumarea intregii cantitati de sodiu. In acest caz sodiul este reactantul limita.

Randamentul de substanta reprezinta raportul dintre cantitatea de produs de reactie obtinut practic si cantitatea aceluiasi produs care se obtine teoretic conform stoechiometriei reactiei.

(50)

Intrucat cantitatea de produs de reactie obtinuta practic este mai mica sau cel mult egala cu cea teoretica, randamentul maxim este 1. Daca randamentul se exprima in procente, relatia de calcul este:

(51)