KEMI 3 Saana Ruotsala saana.ruotsala@mattliden.fi Kursbok Kaila, Meriläinen et al. : Kemi 3 - Reaktioner och energi + MAOL!!! Övningsprov finns på Matteus. Brådskande ärenden sköts via Wilma. Kursinnehåll 1. Kemiska reaktioner 2. Reaktionsformler 3. Reaktionstyper och mekanismer 4. Gaser 5. Energiförändringar i kemiska reaktioner HEMFÖRHÖR: inlämning mån 12.3. 2012 PROVFÖRBEREDELSE: ons 4.4. 2012 PROV: tors 5.4. 2012 Titel: heinä 27-15:10 (Sida 1 av 34)
1. KEMISKA REAKTIONER 1.1 Hur sker en kemisk reaktion? lyckad kollision (rätt orientering och tillräckligt med energi) elastisk kollision (fel orientering och/eller för litet energi) 2. REAKTIONSFORMLER 2.1 Att uttrycka en reaktion med symboler utgångsämnen reaktionsprodukter C 4 H 8 (g) + O 2 (g) CO 2 (g) + H 2 O (l) koefficient index aggregationstillstånd Ex. 1: Skriv den balanserade reaktionsformeln för den reaktion där etanol reagerar med natriummetall och bildar vätgas samt natriumetoxid CH 3 CH 2 ONa. Titel: feb 8-7:14 AM (Sida 2 av 34)
2.2 En reaktionsformel är ett recept Ex. 2: Skriv den balanserade reaktionsformeln för den reaktion där järn(iii)oxid reduceras av vätgas till järnmetall. Vatten bildas som biprodukt. Ex. 3: n = c = m M n V järn? I exemplet ovan, hur mycket järn(iii)oxid behövs om man vill producera 1,5 ton Ex. 4 : 60 ml av en 0,090 M bariumhydroxidlösning? Hur mycket bariumsulfat fälls ut då 45 ml av en 0,102 M svavelsyralösning tillsätts i Titel: heinä 27-15:23 (Sida 3 av 34)
2.3 Utbyte utbyte (%) = verkligt utbyte teoretiskt utbyte Ex. 5: Vid framställning av kaliumaluminiumsulfat dodekahydrat, KAl(SO 4 ). 2 12 H 2 O, användes 2,541 g aluminiumfolie. Reaktionsprodukten vägde 27,252 g. Beräkna syntesens utbyte i procent då det antas att foliet består av ren aluminium och andra utgångsämnen fanns det tillräckligt av. Titel: heinä 27-15:28 (Sida 4 av 34)
2.4 Reaktioner som sker parallellt Ex. 6: En blandning av kalciumkarbonat och natriumkarbonat väger 2,600 g. Då blandningen reagerar med salpetersyra bildas det vatten, natrium- och kalciumnitrat samt 1,105 g koldioxid. Hur mycket av vardera karbonaten innehöll blandningen ursprungligen? Titel: heinä 27-16:29 (Sida 5 av 34)
Ex. 7: Svavelsyra framställs industriellt genom att svavel förbränns till svaveldioxid, vilket i sin tur oxideras till svaveltrioxid som sedan upplöses i vatten. Hur mycket svavelsyra kan maximalt erhållas då det finns 155 kg svavel och 155 kg syrgas att tillgå för totalprocessen? Vatten finns det tillräckligt av. Titel: heinä 28-11:22 (Sida 6 av 34)
3. REAKTIONSTYPER OCH MEKANISMER 3.2 Var sker reaktionen? Utfällningsreaktioner handlar om joner som dras till varandra och bildar jonbindningar = kristallbildning. Dessa bindningar bygger upp ett kristallint jongitter. bildas. I reaktioner mellan molekylföreningar bryts kovalenta bindningarna i utgångsämnen och nya kovalenta bildningar + Hos organiska föreningar "den svaga länken" funktionella gruppen. (bindningen/bindningarna som lätt bryts) finns vid den komponenter. Vanligtvis handlar kemiska reaktioner mellan molekyler om elektronrika (t.ex. fria elektronpar) och elektronfattiga + Titel: elo 12-13:28 (Sida 7 av 34)
3.3 Protonöverföringsreaktioner Reaktionen mellan en bas och vatten: + Reaktionen mellan en syra och vatten: + När man ställer upp reaktionsmekanismer använder man olika sorts pilar. reaktionsriktning rörelsen av ett e lektronpar rörelsen av en elektron reversibel jämviktsreaktion Titel: feb 16-10:37 AM (Sida 8 av 34)
3.4 Substitutions- eller ersättningsreaktioner I en substitutionsreaktion ersätter en atom/atomgrupp en annan atom/atomgrupp i en molekyl. En atom eller en funktionell grupp byts ut. [ OH [ - + + I alkyleringsreaktioner ersätts väteatomer med alkylgrupper. Titel: feb 16-10:35 AM (Sida 9 av 34)
+ HNO 3 H 2 SO 4 + [H + ] kat. Titel: feb 16-11:03 AM (Sida 10 av 34)
3.5 Addition till en karbonylgrupp: reaktioner med aldehyder och ketoner Kom ihåg: primär alkohol aldehyd karboxylsyra sekundär alkohol keton NaBH 4 CH 3 OH + Titel: feb 16-12:03 PM (Sida 11 av 34)
3.6 Reaktioner med kol-kol -dubbelbindningar + Typiska additionsreaktioner: med H 2 med HBr / HI / HCl med H 2 O + Markovnikovs regel : väteatomen binds till den kolatom vid dubbelbindningen som redan tidigare innehåller mera väte CH 3 OH sur harts Titel: feb 16-12:10 PM (Sida 12 av 34)
Additionspolymerisation : additionsreaktionen pågår i en kedjereaktion där upp till hundratusentals monomerer med dubbelbindningar reagerar och bildar långa polymerer. n. En elimineringsreaktion är den omvända reaktionen till en additionsreaktion. + [ OH [ - H 2 SO 4 uppv. additionsreaktion substitutionsreaktion elimineringsreaktion Titel: feb 16-12:27 PM (Sida 13 av 34)
3.7 Kondensations- och hydrolysreaktioner alkohol + alkohol eter + H 2 SO 4 125 O C syra + alkohol ester + H 2 SO 4 syra + amin amid + > 100 O C Titel: feb 16-12:37 PM (Sida 14 av 34)
I en hydrolysreaktion sker den omvända reaktionen till en kondensationsreaktion. + NaOH (aq) Reaktionen ovan, förtvålning, används vid tvåltillverkning. Hydrolys av amider sker långsamt: + HCl (aq) upph. Titel: feb 16-12:45 PM (Sida 15 av 34)
3.8 Kolföreningars oxidations- och reduktionsreaktioner En organisk förening oxideras då antalet syreatomer ökar eller antalet väteatomer minskar ( reduktion : tvärtom). KMnO 4 eller K 2 Cr 2 O 7 [H + ] KMnO 4 eller K 2 Cr 2 O 7 [H + ] NaBH 4 LiAlH 4 LiAlH 4 Titel: feb 16-2:33 PM (Sida 16 av 34)
4. GASER 4.1 Förbränning tillräckligt hög temperatur brinnande material syre O 2 fullständig förbränning: propanol + syre ofullständig förbränning: oktan + syre Titel: heinä 27-16:47 (Sida 17 av 34)
4.2 Gaser kväve 78 % syre 20 % koldioxid och andra gaser 0,03 % inerta gaser (Ar) 0,97 % vattenånga 1 % idealgas: punktformade partiklar med ingen växelverkan emellan reell gas: attraktiva krafter mellan partiklarna som har volym Boyles lag: volymen av en gas är omvänt proportionell mot dess tryck V (dm 3 ) p (kpa) Titel: heinä 27-16:56 (Sida 18 av 34)
volym, ml tryck, bar Temperatur, o C Temperatur (K) Charles lag / Gay-Lussacs lag: dess temperatur volymen och trycket av en gas är direkt proportionella mot enhetsomvandlingar: pascal, Pa = N/m 2 = N m -2 atm = 101 325 Pa bar = 100 kpa torr = 1/760 atm = mm Hg K = t( o C) + 273,15 t( o C) = T(K) - 273,15 Avogadros lag: vid konstant tryck och temperatur har en viss substansmängd av vilken gas som helst en viss volym V 1 n = 1 V 2 n 2 n = V V m gasernas allmänna tillståndsekvation: pv = nrt 22,41 dm 3 /mol i NTP: 1 atm 273,15 K Titel: elo 12-14:05 (Sida 19 av 34)
Ex. 8: 3,0 dm 3 av svaveldioxid reagerar med 2,0 dm 3 syre enligt reaktionen nedan: 2 SO 2 (g) + O 2 (g) 2 SO 3 (g) konstanta. Hur stor volym av svaveltrioxid bildas? Temperatur- och tryckförhållanden hålls Ex. 9: Trinitrotoluen (TNT) är ett av de vanligaste sprängämnena. Vid explosion sönderfaller det till kolmonoxid, väte, kväve och kol: C 7 H 5 N 3 O 6 (s) CO (g) + H 2 (g) + N 2 (g) + C (s) a) Bestäm koefficienterna för reaktionslikheten. b) Hur många gram TNT exploderade, då det bildades 2,76 liter gasfasprodukter (NTP)? Titel: heinä 27-17:39 (Sida 20 av 34)
Ex. 10 : Förbrukningen av bensin i en bil är 7,9 l/100 km. Hur stor volym av koldioxid (25 o C; 1,0 bar) bildas vid körning från Helsingfors till Lahtis (110 km), då det antas att bränslet genomgår fullständig förbränning och att bensin består av ren oktan vars densitet är 0,71 kg/l. Ex. 10 : Då metan hettas upp i närvaro av svavel bildas det koldisulfid och divätesulfid: CH 4 (g) + S 8 (s) CS 2 (g) + H 2 S(g) a) Balansera reaktionslikheten. b) Hur många gram divätesulfid kan maximalt erhållas, då 3,50 g metan och 22,0 g svavel reagerar med varandra i ett 1,00 liters slutet kärl? c) Vad var gasblandningens densitet i kärlet efte r reaktionen? Titel: elo 16-13:14 (Sida 21 av 34)
5. ENERGIFÖRÄNDRINGAR I KEMISKA REAKTIONER 5.1 Reaktioner och energi utgångsämnen produkter E 1 bindningarna bryts ENERGI ENERGI nya bindingar bildas E 2 Då E 2 < E 1, reaktionen är endoterm. Då E 1 < E 2, reaktionen är exoterm. 5.2 Energityper i kemiska reaktioner värmeenergi strålningsenergi ljus kemisk energi elektrisk energi mekanisk energi Titel: elo 12-14:28 (Sida 22 av 34)
5.4 Entalpiförändrigen säger hur mycket värme som binds eller frigörs C (s) + O 2 (g) produkter Energi utgångsämnen Energi produkter CO 2 (g) utgångsämnen För att reaktionen är exoterm frigörs det energi, vilket leder till att produkterna innehåller mindre potentiell kemisk energi än utgångsämnena. Entalpiförändring = H förändring i värmeinnehåll i en kalorimetrisk mätning vid konstant tryck enhet: kj eller kj/mol termometer omrörning antändning q = mc t vatten syre H = q n prov (torrt) Här antas det att: 1) lösningens specifik värmekapacitet = den för vatten reaktanter isolering 2) lösningens massa = den för vatten Titel: elo 16-13:25 (Sida 23 av 34)
Exoterma reaktioner: ΔH < 0 Endoterma reaktioner: ΔH > 0 aktiveringsenergi E a energi entalpiförändring reaktionsförlopp aggregationstillstånd (s, l, g) substansmängd temperatur H utgångsämnenas och reaktanterna kemiska egenskaper tryck Referenstillstånd: 298,15 K 101,325 kpa H o Ex. 11: 2 CO (g) + O 2 (g) 2 CO 2 (g) ΔH o = -566 kj Bestäm den energi som frigörs eller binds då 6,5 dm 3 koldioxid (NTP) sönderdelas till kolmonoxid och syre. Titel: heinä 28-11:10 (Sida 24 av 34)
5.7 Bränslen Ex. 12: Bränslen kan jämföras med varandra på många sätt, t.ex. enligt den energimängd som frigörs eller den föroreningsmängd som skapas. Visa vilket av de följande bränslen frigör per gram mest a) energi, b) koldioxid. ΔH c (C, graf.) = 394 kj/mol, ΔH c (H 2, g) = 286 kj/mol och ΔH c (C 4 H 10, g) = 2 280 kj/mol Titel: feb 1-10:25 AM (Sida 25 av 34)
5.5 Bildningsentalpi Bildningsentalpin, H f o, är reaktionsentalpin där 1 mol av en bestämd substans i grundtillstånd bildas från sina grundämnen i grundtillstånd. Ex. 13: Na 2 CO 3 (s). Skriv reaktionslikheten för H f o av Ju mer negativ bildningsentalpin är, desto stabilare är föreningen (OBS! Endast då man jämför föreningar som består av samma grundämnen!) reaktionsentalpi: Bildningsentalpierna kan användas för att beräkna H = summa( H f o produkter ) - summa ( H f o reaktanter ) Ex. 14: Använd bildningsentalpierna för att beräkna reaktionsentalpin för 2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) Titel: heinä 28-11:17 (Sida 26 av 34)
5.5 Bindningsenergi Bindningsenergin är den energi som behövs för att bryta ned 1 mol av en kovalent bindning i gasfas. bindning. Ju större bindningsenergi, desto starkare Ex. 15: Använd bindningsenergierna för att beräkna reaktionsentalpin för 2 C 2 H 2 (g) + 5 O 2 (g) 4 CO 2 (g) + 2 H 2 O (l) 5.3 Energin hos byggstenarna i ett ämne Molekyler med inre spänningar är instabila och reaktiva då C-C bindningen lätt brister. momentant. Konformationer med inre spänningar har större energiinnehåll och förekommer därför endast Titel: elo 18-12:01 (Sida 27 av 34)
5.8 Reaktionshastighet koncentration momentan hastighet vid t o produkter utgångsämnen t o tid reaktionshastighet = c t Faktorer som påverkar reaktionshastigheten: temperatur finfördelning (fasta ämnen) eller reaktionsyta koncentration (även volym och tryck i gasfas) katalysator / inhibitor orientering KOLLISIONSTEORI Titel: heinä 28-11:51 (Sida 28 av 34)
aktiverat komplex i övergångstillstånd a) b) c) En katalysator höjer reaktionshastigheten genom att sänka aktiveringsenergin för reaktionen. Detta för att katalysatorn erbjuder ett alternativt reaktions-förlopp för reaktionen. homogen katalys: H + (aq) HCOOH (l) + CH 3 CH 2 OH (l) HCOOCH 2 CH 3 (l) + H 2 O (l) heterogen katalys: Fe N 2 (g) + 3 H 2 (g) 2 NH 3 (g) Ni C 2 H 4 (g) + H 2 (g) C 2 H 6 (g) Titel: heinä 28-11:45 (Sida 29 av 34)
Titel: syys 10-12:06 (Sida 30 av 34)
Titel: heinä 28-14:46 (Sida 31 av 34)
Titel: heinä 28-15:13 (Sida 32 av 34)
Titel: elo 16-13:57 (Sida 33 av 34)
Titel: sep 10-13:22 (Sida 34 av 34)