Fonaments de Química Tema 3: Les reaccions químiques: la modificació de la matèria Continguts de Conceptes Atkins capítol 3 Equacions químiques: Quina diferència hi ha entre les paraules "reactant", "reactiu" i "producte"? Posa'n un exemple. 3.1 Com es simbolitzen les reaccions químiques Reacció química, equació química i coeficients estequiomètrics; quina diferència hi ha entre elles? Què indiquen els dos darrers? Què representen els coeficients estequiomètrics? Pensa un exemple real de la llei de la conservació de la massa. Una equació química té en compte la idea d'en Dalton sobre la reordenació dels àtoms? Què volen dir els símbols (s), (l), (g) i (aq)? Reacció de síntesi i reacció de descomposició; en què són diferents i en que són iguals? 3.2 Com igualar equacions químiques Caixa d Eines 3.1: Com igualar equacions químiques En la combustió del metà en presència d aire es forma diòxid de carboni i aigua. Quin és el primer element que s iguala en l'equació? Quin és el darrer element que s iguala en l'equació? Reaccions de precipitació: 3.3. Solucions aquoses Una substància es pot considerar insoluble en aigua quan es dissol menys de 0,1 mol.l -1 Què és una solució electrolítica? Un exemple. Condueix l electricitat? Per què? L aigua és bona conductora de l electricitat? Hi han molècules de NaCl en una solució de clorur de sodi? Condueix l electricitat? Quina diferència hi ha entre una solució electrolítica forta i una de feble? Les solucions d acetona, metanol o glucosa en aigua són electrolítiques? Es formen ions? Quan es diu que un ió està hidratat? Representa a nivell molecular un catió i un anió hidratat. Exemple 3.1: Predicció de la conductivitat. Quins dels següents compostos formen solucions aquoses que condueixen l electricitat? a) Na 2 SO 4 ; b) O 2 ; c) C 12 H 22 O 11 (sacarosa)? 3.4 Reaccions entre solucions d electròlits forts Una reacció de precipitació sempre és dóna entre solucions d electròlits forts? Com caracteritzaries una reacció de precipitació? Escriu l equació química de la reacció entre el clorur de sodi i el nitrat de plata. Quins compostos es formen? Alguna substància és insoluble i precipita?
Escriu l equació química de la reacció entre el nitrat de plom(ii) i el cromat de potassi. Algun producte de la reacció és insoluble i precipita? Són reaccions de doble desplaçament (d'intercanvi)? 3.5 Equacions iòniques i equacions iòniques netes Escriu l equació iònica complerta de la reacció del clorur de sodi amb el nitrat de plata. Quins són els ions espectadors? Escriu l equació iònica neta Exemple 3.2: Com escriure una equació iònica neta Escriu l equació iònica complerta i l equació iònica neta de quan reaccionen nitrat de bari i iodat d amoni. A la precipitació del sòlid insoluble se la cita de vegades com a "força impulsora"? 3.6 La precipitació i els seus usos Es poden obtenir compostos insolubles escollint les solucions de partida adequades per tal que quan es mesclin donin com a resultat un precipitat del compost insoluble desitjat? Les pautes de solubilitat dels compostos iònics comuns en aigua es poden generalitzar? Dóna exemples de compostos que corresponguin a les pautes de la taula 3.1 Regles de solubilitat dels compostos inorgànics Com pots ajudar-te de la taula periòdica per recordar les regles de solubilitat? Si volguessis fabricar cromat de plom (II), el qual forma un precipitat groc (compost utilitzat en la pintura de marcar els carrils del tràfic), de quins compostos partiries? Pensa tres possibles solucions Exemple 3.3: Predicció del resultat d una reacció de precipitació Prediu el compost que es formarà en mesclar una solució de fosfat de sodi, Na 3 PO 4, amb una de nitrat de plom (II), Pb(NO 3 ) 2. Escriu l equació iònica neta per a la reacció. Quina reacció té lloc en els musclos per construir la seva closca? Les reaccions entre els àcids i les bases Quins exemples coneixes de la importància dels àcids en la vida? Quins colors presenta l indicador blau de tornasol amb els àcids i les bases? 3.7 Els àcids i les bases en solucions aquoses Quina reacció té lloc quan es dissol clorur d hidrogen en aigua? Un àcid és una molècula o ió poliatòmic que conté hidrogen i que reacciona amb l aigua per produir ions hidroni? Quin és l ió hidroni? Una base és una molècula o ió que produeix ions hidròxid en aigua? Quin és l ió hidròxid? Quina reacció té lloc quan es dissol hidròxid de sodi en aigua? Quina reacció té lloc quan es dissol amoníac en aigua? És una base l amoníac? 3.8 Els àcids i les bases fortes i febles En què es diferencia un àcid fort d un àcid feble? Dóna n exemples. Escriu les equacions d ionització dels àcids clorhídric i acètic. Els àcids carboxílics són febles en solució aquosa? Les bases es classifiquen fortes i febles? (Taula 3.2) Els òxids dels metalls contenen ions òxid O 2-. En solució, aquests ions òxids com reaccionen amb l aigua, en que es converteixen? Com reacciona l òxid de calci amb l aigua?
Quina porció de les molècules de l amoníac no reacciona amb l aigua quan està en solució? L amoníac és una base feble?
3.9 El caràcter àcid i bàsic a la taula periòdica La majoria dels òxids metàl lics solubles en aigua formen solucions bàsiques? La majoria dels òxids de no metalls en aigua formen solucions àcides? Quins òxids són els anfòters? Què forma el òxid d alumini, Al 2 O 3? Què forma quan reacciona amb l àcid clorhídric? I quan reacciona amb l hidròxid de sodi? Quins elements són els anfòters? Figura 3.18 3.10 Neutralització Com es diu el compost iònic produït en una reacció de neutralització Quina és la fórmula general de la reacció de neutralització? La reacció de neutralització implica la transferència d un ió hidrogen? Escriu l equació química de la reacció de l àcid nítric amb l hidròxid de magnesi. Com és l'equació iònica neta d aquesta reacció de neutralització? Quins són els ions espectadors en la reacció? Quina és la força impulsora? Exemple 3.4: Predicció del resultat d una reacció de neutralització Quina sal es produeix quan reaccionen les solucions aquoses d hidròxid de bari i àcid sulfúric? 3.11 La formació de gasos Algunes reaccions dels àcids amb sals poden donar com a resultat la formació de gasos. Escriu les reaccions següents: Àcid sulfúric diluït amb carbonat de calci. Es semblant a la reacció a la que té lloc quan cau la pluja àcida sobre algunes pedres? Àcid clorhídric diluït amb sulfur de ferro(ii). El gas que es forma és el dels ous podrits? Àcid sulfúric diluït amb clorur de sodi. La característica comú d aquestes reaccions és la transferència d ions hidrogen des de l àcid fort a l anió de la sal. Pot l aigua actuar com un àcid el suficientment fort com per a produir un gas? Què passa si l aigua reacciona amb el carbur de calci (CaC 2 ) per produir acetilè (conté l ió C 2-2 )? Quina és l equació química de la reacció? Quin us havia tingut l acetilè antigament? Exemple 3.5: Idear un mètode per preparar un gas. Suggerir un mètode per produir la fosfina, PH 3, gas. La fosfina és un gas extremadament tòxic que s ha d obtenir a l interior de campanes de fums. Les reaccions redox: Què tenen en comú les següents reaccions? Escriu-les. La fotosíntesi on reacciona el diòxid de carboni de l atmosfera amb l aigua per formar glucosa (C 6 H 12 O 6 ) i oxigen La combustió del metà amb l oxigen La reacció del magnesi metall amb l oxigen La reacció del magnesi amb el clor La reacció de l àcid clorhídric diluït amb el zenc metall
3.12 L oxidació i la reducció Oxidació és la reacció d'una substància amb l'oxigen? Com s'explica que el Mg s'oxidi (passi a Mg 2+ ) tan si reacciona amb l'oxigen com si reacciona amb el clor? Quins dels àtoms perden electrons i quins en guanyen en les reaccions del magnesi amb l oxigen i amb el clor? L oxidació és defineix com la pèrdua d electrons, encara que no hi intervingui l oxigen. El pas de Fe 2+ a Fe 3+ és una oxidació? El pas de Cl - a Cl 0 és una oxidació? Antigament reducció es referia a l extracció d un metall a partir del seu òxid, sovint per reacció amb hidrogen, carboni o monòxid de carboni. Per exemple: La reacció de l òxid de ferro (III) amb hidrogen per formar ferro metall en estat líquid i aigua vapor. Escriu l equació química de la reacció. La reacció de l òxid de ferro (III) amb monòxid de carboni per formar ferro metall líquid i diòxid de carboni gas. Quina característica comú tenen aquestes dues reaccions anteriors? La reducció és defineix com el guany d electrons. Per què s'empra la paraula "redox"? 3.13 Els nombres d'oxidació Per facilitar la identificació de quines espècies s oxiden i quines es redueixen en una reacció, quan són molècules o ions poliatòmics, la química ha assignat un nombre d oxidació a cadascun dels elements. L oxidació correspon a un augment del nombre d oxidació? La reducció correspon a una disminució del nombre d oxidació? Caixa d Eines 3.2: Com determinar els nombres d oxidació En la combustió del metà en presència d aire es forma diòxid de carboni i aigua. Veure les regles per assignar els nombres d oxidació. Com s assigna el nombre d oxidació al sofre en el SO 2 i en el SO 4 =? Com s assigna el nombre d oxidació del sofre en el H 2 S, del fòsfor en el PO 4 3- i del nitrogen en el NO 3 -? 3.14 Els agents oxidants i els agents reductors Una reacció redox es aquella en la que els nombres d oxidació canvien. Com s'explica que s'hagi produït una transferència d'electrons en la reacció de combustió del metà amb l oxigen? (inici de l apartat reaccions redox) Explica perquè la fotosíntesi també es una reacció redox. Què és una agent oxidant? Quins canvis pot experimentar en una reacció redox? Què és una agent reductor? Quins canvis pot experimentar en una reacció redox? Quins és l agent oxidant i l agent reductor en els següents exemples?: La reacció del zenc metall amb una solució de coure(ii (podria ser sulfat de coure, nitrat de cloure o clorur de coure, per exemple) La reacció del zenc metall amb una solució d àcid clorhídric La reacció del coure metall amb l àcid nítric concentrat per formar òxid de nitrogen (IV) La reacció del coure metall amb l àcid nítric diluït per formar òxid de nitrogen (II) La reacció del coure metall amb l àcid sulfúric concentrat i en calent per formar òxid de sofre (IV)
Exemple 3.6: Identificació d agents oxidants i reductors. Quan una solució àcida de dicromat de potassi, K 2 Cr 2 O 7, es mescla amb una solució de clorur de ferro(ii), es formen ions ferro(iii) i els ions crom(iii). Quina espècie s oxida i quina es redueix? Identificar l agent oxidant i l agent reductor. En el procés Claus utilitzat en la recuperació de sofre a partir de gas natural i del petroli, el sulfur d hidrogen, H 2 S, reacciona amb el diòxid de sofre, SO 2, per formar sofre elemental i aigua. Identifica l agent oxidant i el reductor. Per què pot ser tant important aquest procés per al medi ambient? Requadre 3.1: Manteniment d una atmosfera artificial. Quines reaccions es poden utilitzar per mantenir una atmosfera habitable en un nau a l espai? 3.15 Igualació d equacions redox simples Els electrons es conserven en una reacció química? La reacció entre el ió hidroni H 3 O + i el ió hidròxid OH - en la neutralització és una reacció redox? Canvien els nombre d'oxidació? 3.16 Classificació de les reaccions Com caracteritzaries els tres tipus de reaccions?: Precipitació Neutralització Redox Posa n exemples importants per a la vida d aquestes reaccions. Estudi de cas: De l aigua del riu a l aigua potable. Contesta les preguntes que es plantegen en aquest estudi de cas 17.2 Igualació d equacions redox complicades (Veure Capítol 17 de l Atkins) Caixa d Eines 17.1: Com igualar equacions redox complicades. Exemple 17.1: Igualació d una reacció redox en solució àcida. Els ions permanganat, MnO 4 -, reaccionen amb àcid oxàlic, H 2 C 2 O 4, en solució àcida, donant lloc a ions manganès(ii) i diòxid de carboni. L equació esquemàtica és MnO 4 - (aq) + H 2 C 2 O 4 (aq) Mn 2+ (aq) + CO 2 (g) Iguala aquesta equació. Exemple 17.2: Igualació d una reacció redox en solució bàsica. Els productes de l oxidació dels ions bromur pels ions permanganat en solució bàsica són l òxid de manganès (IV) sòlid, MnO 2, i els ions bromat, BrO 3 -. Igualar l equació química de la reacció. 17.7 Significat dels potencials estàndard(veure Capítol 17 de l Atkins) Potencials estàndard a 25ºC. Taula 17.1, pàgina 657 i annex 2B, pàgina A14. El signe negatiu del potencial estàndard del Zn, -0,76V, indica que en condicions normals, el Zn té una tendència a reduir els ions hidrogen a hidrogen gas i que la reacció Zn (s) + 2H + (aq) Zn 2+ (aq) + H 2(g) és espontània. Recíprocament, el potencial estàndard positiu de l elèctrode de Cu, +0,34, indica que l hidrogen tendeix a reduir els ions de coure i que la reacció Cu 2+ (aq) + H 2(g) Cu(s) + 2H + (aq)
és espontània. Quins metalls son oxidats pels ions hidrogen (H + )? Per què el Cu es oxidat per l'àcid nítric i no per l àcid clorhídric? 17.8 La sèrie electroquímica (Veure Capítol 17 de l Atkins) Amb quin criteri s'ordenen les substàncies en aquesta sèrie? Com podem fer-ho per recordar-la? Exercicis del capítol 3 de l Atkins: Equacions: 3.1; 3.3; 3.5; 3.7; Reaccions de precipitació: 3.13; 3.15; 3.23; 3.29 Àcids i bases: 3.37 a i b; 3.39; 3.41: 3.42; 3.43 Redox: 3.49 Nº d oxidació: 3.55; 3.57 Agents oxidants i reductors: 3.63; 3.65; 3.67 Exercicis complementaris 3.72; 3.73 Exercicis creatius: 3.77; 3.79; 3.85