KEMIALLISTEN YHTÄLÖIDEN TASAPAINOTTAMINEN Aineen säilymisen periaatteen mukaan ”ainetta ei voi luoda eikä tuhota, se vain muuttaa muotoaan”. Jos näin on, meidän on otettava huomioon kaikki atomit kemiallisessa reaktiossa. Emme voi muuttaa tapaa, jolla yhdisteet muodostuvat, mutta voimme säätää muodostuvien yhdisteiden määrää. Esimerkiksi: Magnesium reagoi hapen kanssa muodostaen magnesiumoksidia. Koska happi on kaksiatominen molekyyli, voimme saada niitä vain kahden atomin ryhmissä. Tiedämme, että magnesiumoksidin kaava on MgO(s). Toistaiseksi tuntemamme reaktio on: Mg(s) + O2 (g) —> MgO (s) Mitä tapahtuu toiselle hapelle? Se on otettava huomioon! Kun happimolekyylit hajoavat reagoidakseen magnesiumatomin kanssa, yksinäinen happi on vapaa sitoutumaan toiseen magnesiumiin. Toisin sanoen olemme nyt käyttäneet kaksi magnesiumatomia ja luoneet kaksi yksikköä magnesiumoksidia. Osoitamme tämän asettamalla molekyylin eteen numeroita. 2 Mg(s) + O2 (g) —> 2 MgO (s) Tämä on tasapainoyhtälö. Se voidaan lukea seuraavasti: Kaksi magnesiumatomia reagoi yhden happimolekyylin kanssa muodostaen kaksi yksikköä magnesiumoksidia.
Tarkoitus on varmistaa, että yhtälön kummallakin puolella on sama määrä atomeja! Tutustu sivulla 1 olevaan laskentataulukkoon. Laske atomit ja katso, ovatko nämä yhtälöt tasapainossa. Yhtälön tasapainottamiseksi voit aloittaa mistä tahansa atomista, mutta voi olla hyödyllistä aloittaa siitä atomista, jota esiintyy enemmän. Esimerkki: Rikki reagoi litiumin kanssa muodostaen litiumsulfidia. S8 (s) + Li (s) —> Li2S (s) Aloita rikkiatomeista. 8 reagoivan aineen puolella tarkoittaa, että tarvitsemme 8 tuotteen puolella. Meidän on asetettava 8 Li2S(s):n eteen. Tämä muuttaa litiumatomien lukumäärää niin, että tuotepuolella on nyt 16 litiumatomia. Reaktiopuolella on siis oltava 16 atomia. Yhtälöstä tulee: S 8 (s) + 16 Li (s) —> 8 Li2S (s) Kokeile näitä. 1. Natrium reagoi kloorikaasun kanssa muodostaen natriumkloridia. ___Na(s) + ___ Cl2 (g) —> ___ NaCl(s) Tasapainotettu yhtälö: 2 Na (s) + Cl2 (g) —> 2 NaCl (s)
2. Barium reagoi fosforin kanssa muodostaen bariumfosfidia. ___Ba (s) + ___ P4 (s) —> ___ Ba3P2 (s) Tasapainotettu yhtälö: 6 Ba (s) + P4 (s) —> 2 Ba3P2 (s)
Muodostumisreaktiot tai yksinkertaiset koostumusreaktiot Muodostumisreaktiot ovat reaktioita, joissa kaksi alkuaineita yhdistyy muodostaen yhdisteen. alkuaine + alkuaine = yhdiste Sanayhtälö:
natrium + kloori ———>natriumkloridi
Lujuva yhtälö: Na(s) + Cl(g) ———> NaCl(s)
Hajoamisreaktiot Hajoamisreaktiot ovat muodostumisreaktioiden käänteisreaktioita. yhdiste AB —> alkuaine A + alkuaine B esim. __C6H12O 6 (s) —> _ C (s) + _ H2 (g) + _ O2 (g)
Yksittäiset korvausreaktiot Tähän mennessä olemme käsitelleet muodostumis- ja hajoamisreaktioita. Alkuaineet reagoivat muodostaen yhdisteitä tai yhdisteet reagoivat muodostaen alkuaineita. Hyvin harvat reaktiot ovat tämäntyyppisiä. Reaktiot, joissa on mukana alkuaine ja yhdiste, voivat olla paljon mielenkiintoisempia. Näitä reaktioita kutsutaan yksittäiskorvausreaktioiksi, koska yhdisteen yksi alkuaine korvataan toisella alkuaineella. Esimerkki: kupari reagoi hopeanitraattiliuoksen kanssa hopea- ja kupari(II)nitraattiliuokseksi. Cu(s) + AgNO3 (aq) —> Ag (s) + Cu(NO3)2 (aq) Voit tasapainottaa nämä yhtälöt samalla tavalla kuin teit muodostumisreaktiot. ts. laske kummankin tyypin atomien lukumäärä yhtälön kummallakin puolella. On kuitenkin helpompaa käsitellä nitraatti-ionia yhtenä atomina. Tämä tarkoittaa, että lasket Ag:n, Cu:n ja NO3ʼ:n. Tasapainotettu yhtälö on siis: Cu (s)+2 AgNO3 (aq) —> 2 Ag (s) +Cu(NO3)2 (aq) Esimerkkejä: 1. Kalsiummetalli reagoi natriumkarbonaattiliuoksen natriummetallin kanssa.
Tuottaa kiinteää kalsiumkarbonaattia ja
2. Typpikaasu reagoi ammoniumfosfidiliuoksen kanssa tuottaen ammoniumnitridiliuoksen ja kiinteää fosforia.
Kaksoiskorvausreaktiot Nämä reaktiot ovat samankaltaisia kuin yksinkertaiset korvausreaktiot. Ainoa ero on, että tässä kahden yhdisteen välisessä reaktiossa korvataan sekä metalli että epämetalli. Esimerkki: Magnesiumhydroksiditabletteja käytetään neutraloimaan mahahappoa (HCl). Tällöin syntyy vettä ja magnesiumkloridiliuosta. _Mg(OH)2 (s) +_HCl (aq)—>_HOH (l) + _MgCl2 (aq) Mg(OH)2:ssa on 2 OH-ionia, kun taas HOH:ssa on vain 1 OH-ioni. Kummallakin puolella on oltava 2 OH-ionia, joten laitamme 2:n HOH:n eteen tasapainottaaksemme OHʼ:t. Tämä muuttaa HOH:n H-ionit 2:ksi. Tarvitsemme myös vasemmalle puolelle 2 Hʼ:ta. Laitetaan 2 HCl:n eteen. Näin saamme 2 Cl:ää ja MgCl2:ssa on 2, joten se on tasapainossa. Myös Mgʼ:t ovat tasapainossa, joten olemme valmiit.
Esimerkki: Natriumarsenidiliuos sekoitetaan kalsiumkloridiliuokseen, jolloin saadaan natriumkloridiliuos ja kalsiumarsenidijähde. _Na3As (aq)+_CaCl2 (aq)–>_NaCl (aq) +_Ca3As2 (s) Voit aloittaa mistä tahansa alkuaineesta tai kompleksi-ionista, mutta voi olla helpompaa aloittaa suurimmasta luvusta. Tässä esimerkissä voimme aloittaa kalsiumilla tai natriumilla, koska molemmissa on 3 yhtälön toisella puolella. Aloitetaan natriumista, koska se on ensimmäinen. Na3As (aq) on 3 Na. Yhtälön toisella puolella on siis oltava 3, joten laitetaan NaCl:n eteen 3 (muistakaa, että emme voi muuttaa kemiallista kaavaa, vaan ainoastaan kaavayksiköiden lukumäärää) Tämä muuttaa myös kloridi-ionien lukumäärän 3:ksi. Tämä tarkoittaa, että yhtälön toisella puolella on oltava 3 kloridi-ionia. Koska CaCl2:ssa kloridi-ioneja on vain 2:n ryhmissä, meidän on keksittävä keino saada kloridi-ionit samansuuruisiksi kummallakin puolella. Tarvitsemme jotain, johon 2 ja 3 mahtuvat molemmat. Pienin luku, joka täyttää tämän vaatimuksen, on 6. Laita CaCl2:n eteen 3, niin saat 6 Cl-ionia. Tämä tarkoittaa, että NaCl:n eteen on laitettava 6. Tämä muuttaa Naʼ:ien lukumäärän 6:ksi. Vasemman puolen tasapainottamiseksi Na3As:n eteen on laitettava 2. Kummallakin puolella on nyt 6 Na:ta ja 6 Cl:ää. Tarkista loput ionit. ”Muu” reaktiotyyppi Kun reaktiossa on moniatomisia ioneja, jotka hajoavat, tai kun reaktiossa on enemmän tuotteita kuin reaktantteja, se luokitellaan ”muuksi”. ”Muilla” reaktiotyypeillä tee vetyatomit toiseksi viimeisenä ja sitten happi viimeisenä. Miksi? Vety- ja happiatomeilla on taipumus tasapainottua, kun muut atomit ovat tasapainossa. Esim. __Al (s) + __ NH4ClO4 (s) –> __Al2O 3 (s) + __AlCl3 (s) + __NO (g) + __HOH(l)
Sakka- reaktiossa liuoksesta muodostuva kiinteä aine. Jos yhdisteellä on reaktiopuolella vesifaasi ja muuttuu sitten tuotepuolella kiinteäksi, se on saostuma Esim. _NH4Br (aq) + __Hg3N (aq) –>__ (NH4)3N (aq) + __HgBr (s) Tunnista saostuma yllä olevassa reaktiossa? Hiilivetyjen palamisreaktiot Kun hiilivetyjä, kuten bensiiniä, metaania, propaania ja sakkaroosia poltetaan (poltetaan), ne tuottavat aina energiaa sekä hiilidioksidikaasua ja vesihöyryä. Palaminen on itse asiassa vain nopea reaktio hapen kanssa. Yhtälöt ovat vain poltettava yhdiste ja happi, jolloin syntyy hiilidioksidikaasua ja vesihöyryä. Tämäntyyppisiä reaktioita tasapainotettaessa on helpointa aloittaa hiiliatomeista, siirtyä sitten vetyatomeihin ja lopettaa happiatomeihin. Esimerkki: Metaanikaasua poltetaan. _ CH4 (g) + _O2 (g) —>_CO2 (g) + _H2O (g) Tasapainotetaan aloittamalla hiiliatomeista. Yksi kummallakin puolella, joten muutosta ei tarvita. Vasemmalla puolella on 4 vetyatomia ja oikealla puolella vain 2. Tarvitaan 2 vesimolekyyliä, jotta saadaan 4 vetyatomia. Laske seuraavaksi happiatomit oikealla puolella. CO2:ssa on 2 ja 2H2O:ssa 2. Se tekee yhteensä 4. Saadaksemme 4 toiselle puolelle tarvitsemme 2 O2:ta. CH4 (g) + 2 O2 (g) —> CO2 (g) + 2 H2O (g) Joskus on tarpeen muuttaa lähtöyhdisteemme lukumäärää. Esimerkki: Oktaani poltetaan. _ C8H18 (l) +_O2 (g) —>_CO2 (g) + _H2O (g) Aloitetaan kuten edellä hiilestä ja siirrytään vetyyn. Meillä on seuraava: C8H18 (l) +_O2 (g) –> 8 CO2 (g) + 9 H2O (g) Laske seuraavaksi happi. 8 CO2:ssa on 16 ja 9 H2O:ssa 9 happea. Tämä tekee 25. Koska happea on vain 2 kappaleen pakkauksissa (O2), emme voi saada 25:tä! Tarvitsemme lisää happea vasemmalle puolelle. Jos kaksinkertaistamme kaiken, oikealla puolella on 50 happea. Se on jaettavissa 2:lla. Tulokseksi saadaan: 2 C8H18 (l) + 25 O2 (g)–> 16 CO2 (g) +18 H2O (g)
Endotermiset & Eksotermiset reaktiot Kaikissa reaktioissa on energiaa, mutta useimmiten emme kirjoita sitä yhtälöön. Olet nähnyt joitakin reaktioita, joissa energia on kirjoitettu yhtälöön. Esim. Fotosynteesireaktio. Aurinkoenergia+6CO2(g)+6H2O(l)–>6O2(g)+C6H12O6(s) Useimmat reaktiot vaativat energiaa, jotta reagoivat aineet saadaan reagoimaan. Energian syöttö. Kun energiaa kuluu enemmän (reaktion käynnistämiseen) kuin mitä reaktiosta vapautuu, sitä kutsutaan endotermiseksi (esim. fotosynteesireaktio). Endotermisessä reaktiossa energia kirjoitetaan reagoivan osapuolen puolelle. Kun reaktiossa vapautuu enemmän energiaa kuin mitä reaktioon syötetään, sitä kutsutaan eksotermiseksi Energiaa kirjoitetaan eksotermisessä reaktiossa tuotteen puolelle. *Huomaa- useimmiten reaktioiden energia on lämmön muodossa, mutta ei aina.
Todisteet kemiallisista reaktioista On neljä asiaa, jotka todistavat, että kemiallinen reaktio on tapahtunut: 1. Lämpötilan muutos 2. Värinmuutos 3. Vapautuva kaasu 4. Muodostuu sakkaa Kemiallisessa reaktiossa voi olla useampi kuin yksi.
Mooli Mooli on yksikkö, joka edustaa tiettyä määrää asioita. Vähän sama kuin tusina tai brutto, mutta sen sijaan, että se olisi 12 tai 144 asiaa, mooli on 6,02 x 1023 asiaa. Siihen viitataan joskus nimellä Avogadron luku, ja se määritellään atomien lukumääräksi tasan 12 grammassa hiili-12:ta. Moolin käyttäminen Kaikkia atomimassoja verrataan hiili-12:een. Jaksollisuustaulukossasi ilmoitettu atomimassaluku on ilmoitettu lähimpään gramman sadasosaan. Esimerkki: Yhden moolin klooriatomin massa on 35,45 g/mol. Huomautus: moolin symboli on mol. Tämä ei ole lyhenne. Etsi: Happi, kalsium ja rauta.
Molekyylien moolimassat Useimmiten olemme kiinnostuneita moolin moolista. Se on 6,02 x 1023 molekyyliä, kuten vesi, HOH. Yksi vesimolekyyli sisältää 2 vetyatomia ja yhden happiatomin. Tämä tarkoittaa, että yksi vesimolekyylimooli sisältää 2 moolia vetyatomeja ja yhden moolin happiatomeja. Yhden vesimoolin massa on siis 2 moolia vetyatomeja ja yksi mooli happiatomeja. 2 H = 2 mol x 1,01g/mol = 2,02 g/mol 1 O= 1 mol x 16,00 g/mol = 16,00 g/mol 1 HOH
= 18,02 g/mol
Esimerkki: Laske vetysulfaattikaasun moolimassa. Kaava on H2S O4 (g) 2 H = 2 mol x 1,01g/mol = 2,02 g/mol 1 S = 1 mol x 32,06g/mol = 32,06 g/mol 4 O = 4 mol x 16,00 g/mol = 64,00 g/mol 1 mooli H2S O4 (g) = 98.08 g/mol Kokeile: kalsiumkloridi : rauta(III)hydroksidi : fosforipentakloridi
Massan muuntaminen mooleiksi Tietyssä massassa (m) olevien moolien (n) määrä on yhtä suuri kuin annettu massa jaettuna moolimassalla (M).
m n= M Esimerkki 1: Kuinka monta moolia natriumkloridia on 100 g:ssa? Vaihe 1: Laske natriumkloridin moolimassa. M NaCl = 58,44 g/mol Vaihe 2:
Laske moolien lukumäärä.
m n= M = 100 g 58,44 g/mol = 1,71 mol Muista merkitsevät numerot!!!!!
Esimerkki 2: Kuinka monta moolia on 25 g:ssa alumiininitraattia? Vastaus = 0,12 mol Moolien ja massan välinen laskutoimitus Laskeaksemme tietyn moolimäärän sisältämän massan, meidän on järjestettävä kaavamme uudelleen seuraavasti. m= nM Esimerkki: Mikä massa on 3,50 molissa kalsiumkarbonaattia? Vaihe 1: Laske kalsiumkarbonaatin moolimassa. M CaCO3 = 100,09 g/mol Vaihe 2: Laske massa. m = nM = 3,50 mol x 100,09 g/mol = 350 g Esimerkki 2: Laske 0,056 mol ammoniumsulfidin massa. Vastaus = 3,8 g
