Promo cls 12 c1 c2 by Crepuscul

MINISTERUL EDUCAŢIEI ŞI CERCETĂRII ŞTIINŢIFICE

Colecţia EDUCAŢIONAL

Elena ALEXANDRESCU

CHIMIE C1 şi C2 clasa a XII-a Filiera teoretică, profil real, specializările: matematică - informatică şi ştiinţe ale naturii Filiera tehnologică, specializările: tehnician chimist de laborator, tehnician în industria materialelor de construcţii, tehnician în chimie industrială, tehnician în industria sticlei şi ceramicii

Editura LVS Crepuscul

Autori: prof. gr. I Elena ALEXANDRESCU - Colegiul Naţional “Mihai Viteazul” Ploieşti Referenţi ştiinţifici: profesor univ. dr. Elena DIACU - Catedra de Chimie Analitică, Facultatea de Chimie Aplicată şi Ştiinţa Materialelor, Universitatea Politehnică Bucureşti profesor grd. I Doina DĂNCIULESCU Colegiul Naţional “Mihai Viteazul” Bucureşti profesor grd. I Nicoleta DRĂGAN Inspector de specialitate Inspectoratul Şcolar Prahova Tehnoredactare şi grafică:

Sultana VIZIREANU

Manualul a fost aprobat prin Ordinul ministrului Educaţiei, Cercetării şi Tineretului nr. 1561/63 din 23.07.2007 în urma evaluării calitative şi este realizat în conformitate cu programa analitică aprobată prin Ordin al ministrului Educaţiei, Cercetării şi Tineretului nr. 5959 din 22.12.2006.

Descrierea CIP a Bibliotecii Naţionale a României ALEXANDRESCU, ELENA Chimie: C1 - C2: clasa a XII-a - C1/Elena Alexandrescu - Ploieşti: LVS Crepuscul, 2007 Bibliogr. ISBN 978-973-7680-35-8 54(075.35)

© 2015, Ediţie revizuită Tipar şi Distribuţie EDITURA EXPLORATOR Ploieşti, 100066, Str. Erou Călin Cătălin nr. 5 Tel.: 0244-511244, 0244-595348, 0723-387225, 0745-367226 Fax: 0244-519466 E-mail: office@crepuscul.ro, office@cutezatorii.ro www.crepuscul.ro

Introducere „Nu pentru şcoală, ci pentru viaţă învăţăm.” Seneca

Experţi din domeniul climatologiei din întreaga lume, întruniţi la Paris în februarie 2007, au transmis întregii omeniri un avertisment foarte serios. Sunt siguri, în proporţie de 90%, că principala cauză a încălzirii globale şi a schimbărilor climaterice este activitatea umană. Cum, de când şi cât de mult „facem rău” planetei care ne găzduieşte? Sunt întrebări la care nu poate răspunde decât un om foarte bine informat. Studiul chimiei şi a altor ştiinţe ale naturii poate să ofere explicaţii, soluţii şi, în final, speranţe. Vă invit să descoperiţi aspecte noi ale reacţiilor chimice organice şi anorganice, care vă vor ajuta să găsiţi răspunsuri la multe probleme de ieri, de azi şi de mâine. Vă urez succes, prof. Elena Alexandrescu

himie clasa a XII-a

Norme de protecţie în laboratorul de chimie

Activităţile experimentale ale elevilor se efectuează în laboratorul de chimie, sub îndrumarea directă a profesorului. Pentru prevenirea unor accidente, trebuie să cunoaşteţi anumite reguli de protecţie. • Se poartă halatul alb, încheiat cu nasturi, curat, pentru protejarea îmbrăcămintei şi a pielii. • Toate experimentele se execută cu cantităţi mici de substanţe. • Se lucrează în vase curate. • Înainte de utilizarea reactivilor, se citeşte cu atenţie eticheta pentru identificarea substanţelor chimice. • Substanţele chimice nu se gustă şi nu se miros direct. • La diluarea H2SO4, se toarnă acid în apă şi nu invers. • Resturile de substanţe toxice nu se aruncă în canal, ci se adună în borcane şi se aruncă în locuri special amenajate. • Aparatura de sticlă nu se încălzeşte direct pe flacară. • Manipularea substanţelor toxice se face sub nişă. • Aparatele electrice nu se manipulează cu mâna umedă.

Cum utilizăm manualul?

Pe parcursul fiecărui paragraf veţi întâlni sigle cu anumite semnificaţii. Analizează şi • Introduce sarcini de observare şi prelucrare a informaţiilor date pentru a descoperă asigura înţelegerea conceptelor noi. Verifică şi consolidează

E Info

• Introduce sarcini de aplicare imediată a noilor informaţii pentru consolidarea lor.

• Introduce sarcini de experimentare a unor reacţii chimice pentru a descoperi Experimentează sau pentru a verifica caracteristicile unor procese sau proprietăţile unor substanţe. Experimentele pot fi efectuate individual sau pe grupe formate din 2-4 elevi. • Introduce aspecte legate de viaţa cotidiană şi unele informaţii, care nu sunt plus... cuprinse în curriculum, referitoare la conceptele chimice studiate.

Stiati că...

• Introduce prezentarea unor momente de referinţă din istoria chimiei şi a unor informaţii despre răspândirea în natură, proprietăţile şi utilizările unor substanţe chimice. • Introduce exerciţii şi probleme care cer aplicarea informaţiilor noi. Aplicaţii • Introduce aplicaţii şi teste pentru autoevaluare. Timpul de lucru Test de evaluare pentru fiecare test de evaluare este de 50 de minute. • Testele notate cu A se adresează elevilor de la specializarea matematică informatică, filiera teoretică, iar testele notate cu B se adresează elevilor de la specializarea ştiinţe ale naturii, filiera teoretică şi elevilor de la liceele tehnologice cu profil de chimie. • Introduce conţinuturile din curriculum diferenţiat şi se adresează elevilor de la specializarea ştiinţe ale naturii, filiera teoretică. * • Introduce aplicaţii aferente conţinuturilor din curriculum diferenţiat. • Introduce aplicaţii cu grad mai mare de dificultate sau aplicaţii a căror rezolvare necesită informaţii suplimentare. Elevii de la liceele tehnologice cu profil de chimie vor studia întreg conţinutul prezentat în manual (curriculum comun şi curriculum diferenţiat) ca şi elevii de la specializarea ştiinţe ale naturii, filiera teoretică. •Portofoliul, ca instrument de evaluare complex, permite evaluarea şi aprecierea Portofoliu globală a deprinderilor, capacităţilor şi performanţelor dobândite în timpul procesului de învăţare. Realizaţi pe parcursul anului şcolar portofoliul cu tema: “Chimia şi viaţa”. Portofoliul trebuie să cuprindă lucrările indicate în manual cu sigla “Portofoliu”. Vă puteţi completa portofoliul şi cu alte lucrări: fişe de observaţii realizate în timpul unor excursii de documentare, teste, curiozităţi, amuzamente chimice etc. Puteţi consulta diverse surse bibliografice. 4

Clasificarea reacţiilor chimice

Competenţe specifice: • să clasifici reacţiile chimice după diferite criterii; • să identifici tipul unei reacţii după caracteristicile ei.

capitolul

himie clasa a XII-a

Reacţia de înlocuire dintre fier şi sulfatul de cupru a fost foarte multă vreme utilizată de alchimişti care susţineau că, în felul acesta, fierul se transformă în cupru. Transformarea era considerată un secret ce ţinea de anumite „puteri magice”.

1.1. Clasificarea reacţiilor chimice Reacţiile chimice sunt procese în care unele substanţe se transformă în alte substanţe. Fiecare substanţă, anorganică sau organică, este caracterizată din punct de vedere chimic prin reacţiile la care participă. Reacţiile chimice diferă între ele prin mai multe aspecte, care pot reprezenta criterii de clasificare a lor. O primă clasificare a reacţiilor chimice, învăţată în clasele de gimnaziu, ţine seama de modul în care reacţionează substanţele. Astfel, reacţiile chimice pot fi: • reacţii de combinare; CaO + H2O Ca(OH)2 Exemplu: • reacţii de descompunere; Exemplu: CaCO3 t°C CaO + CO2 • reacţii de înlocuire (de substituţie); Exemplu: Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu • reacţii de schimb (de dublă înlocuire); Exemplu: NaCl + AgNO3 AgCl + NaNO3 De multe ori, reacţia constă în schimbul unei particule între reactanţi. Analizaţi exemplele a, b, c, indentificaţi în fiecare caz particula schimbată între reactanţi şi completaţi schemele de reacţie a’, b’, c’, precum şi spaţiile libere din afirmaţiile de mai jos. H+

a) HCl + NH3

NH4Cl S-au transferat ...................

a’) H3O+ + HO-

2H2O

2e-1

b) 2KI + 2H2SO4

I2 + K2SO4 + SO2 + 2H2O

Fig. 1.1.1. Reacţia dintre Fe şi CuSO4

b’) 2Al + Fe2O3

-1

2I -2e +6

S +2e

2I +4

S-au transferat ..............

2Fe + Al2O3

Na+

c) NaCl + AgNO3 +

AgCl + NaNO3

c’)

S-au transferat .......................

Zn(OH)2 + 2NaOH

Na2[Zn(OH)4]

NH3

d) Ag2O + 4NH3 + H2O 6

d’) AgCl + 2NH3

2[Ag(NH3)2]OH

[Ag(NH3)2]Cl

S-au transferat ..............

Clasificarea reacţiilor chimice

Sulfatul de cupru (CuSO4) se separă sub forma cristalohidratului CuSO4·5H2O, numit piatră vânătă, din soluţiile apoase obţinute prin acţiunea acidului sulfuric asupra CuO, Cu(OH)2, CuCO3·Cu(OH)2. Prin încălzire, CuSO4·5H2O pierde treptat apa de cristalizare, conducând la cristalohidraţii CuSO4·3H2O, CuSO4·H2O şi în final la sarea anhidră de culoare albă. Sub acţiunea umidităţii, CuSO4 anhidru trece în CuSO4·5H2O de culoare albastră. De aceea, CuSO4 anhidru este utilizat pentru punerea în evidenţă a existenţei apei în unele amestecuri. Soluţia diluată de CuSO4 se foloseşte la stropirea plantelor şi a seminţelor în vederea distrugerii sporilor de ciuperci dăunătoare.

Fig. 1.1.2. CuSO4 hidratat şi anhidru

Între speciile chimice reactante se pot schimba: protoni (H+), electroni, ioni sau molecule. După natura particulei schimbate, reacţiile se pot clasifica în: • reacţii cu schimb de protoni (reacţii acido - bazice); H+

Exemplu: HCl + NaHCO3 NaCl + CO2 + H2O • reacţii cu schimb de electroni (reacţii de oxido - reducere sau redox); 2e-

Exemplu: Cu + 2H2SO4 CuSO4 + SO2 + 2H2O • reacţii cu schimb de ioni (reacţii de precipitare şi reacţii de complexare); Ba2+

Exemplu: BaCl2 + Na2SO4

BaSO4 + 2NaCl

2Na+

(reacţie de precipitare)

HO-

Al(OH)3 + NaOH

Na[Al(OH)4]

(reacţie de complexare)

• reacţii cu transfer de molecule (unele reacţii de complexare). Exemplu: Cu(OH)2 + 4NH3 [Cu(NH3)4](OH)2 În aceste reacţii, transferul particulei se realizează între un donor (specie chimică având proprietatea de a ceda particula) şi un acceptor (specie chimică având proprietatea de a fixa particula). După efectul termic ce însoţeşte o reacţie chimică, acestea pot fi: • exoterme, reacţii care au loc cu cedare de căldură; Exemplu: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q • endoterme, reacţii care au loc cu absorbţie de căldură. Exemplu: CaCO3 + Q CaO + CO2 Reacţiile chimice se pot desfăşura într-un timp mai scurt sau mai lung şi, după viteza de reacţie, se pot clasifica în: • reacţii rapide; Exemplu: NaCl + AgNO3 AgCl + NaNO3 • reacţii lente. Exemplu: (fermentaţie acetică) În capitolele ce urmează, se vor studia unele reacţii chimice ale compuşilor organici şi anorganici, clasificate după efectul termic, viteza de reacţie şi tipul particulei transferate între speciile chimice reactante. Vor fi evidenţiate caracteristici importante ale acestor transformări.

Aplicaţii 1. Se consideră schema de reacţii: Ca + H2O A + H2 CaO + H2O A a) Identificaţi substanţa A şi scrieţi ecuaţiile celor două reacţii. b) Identificaţi particulele schimbate între reactanţi în cele două reacţii. c) Ştiind că soluţia apoasă saturată de substanţă A, la 20°C, are concentraţia procentuală de 0,12%, calculaţi solubilitatea substanţei A în apă la 20°C (masa maximă de substanţă ce se poate dizolva în 100 g de apă la 20°C). 7

himie clasa a XII-a

d) Calculaţi masa de apă de var (soluţie saturată de hidroxid de calciu) obţinută din 280 g de var nestins de puritate 80%. 2. Completaţi ecuaţiile de mai jos şi scrieţi în spaţiul liber din stânga numărului de ordine al fiecărei ecuaţii din coloana A litera din coloana B care corespunde tipului de particulă schimbată.

...... 1) CH3—COOH + NaOH

a) reacţie cu schimb de protoni

...... 2) Mg + H2SO4

b) reacţie cu schimb de electroni

...... 3) FeCl3 + KOH

c) reacţie cu schimb de ioni

...... 4) HCOOH + KMnO4 + H2SO4 ...... 5) C6H5—ONa + HCOOH ...... 6) KI + Pb(NO3)2 3.

Acetilena (HC CH), un compus organic, se poate obţine din compuşi anorganici conform reacţiilor:

CaCO3 t°C

CaO + 3C

t°C

CaO + CO2 CaC2 + CO

CaC2 + 2H2O

C2H2 + Ca(OH)2

a) Identificaţi reacţia cu schimb de protoni şi reacţia cu schimb de electroni. b) Calculaţi volumul (c.n.) de acetilenă ce se poate obţine din 625 kg de piatră de var, de puritate 80%, considerând reacţiile totale. c) Calculaţi puritatea carbidului (CaC2), dacă impurităţile din carbid provin numai din piatra de var. 4.

Se consideră schema de reacţii:

CuSO4 + 2NaOH t°C

A + Na2SO4

A CuO + B a) Identificaţi substanţele A şi B şi scrieţi ecuaţiile celor două reacţii. b) Identificaţi reacţia care are loc cu schimb de particule. c) Precizaţi care dintre substanţele A şi B are molecule polare. d) Calculaţi masa de substanţă A obţinută, ştiind că pentru precipitarea totală a substanţei A s-au consumat 200 mL de soluţie de NaOH de concentraţie 2M şi că în procesul de filtrare şi uscare s-a pierdut 5% din masa de precipitat. 5.

Se consideră schema de reacţii:

2Al + Cr2O3

A + 6HCl

2Cr + A 2B + 3H2O

C + 3NaCl B + 3NaOH a) Identificaţi reacţia cu schimb de electroni, reacţia cu schimb de protoni şi reacţia cu schimb de ioni. b) Calculaţi compoziţia procentuală de masă a compusului C. c) Calculaţi masa de aluminiu necesară obţinerii conform schemei de reacţii de mai sus a 30 mmoli de compus C, considerând reacţiile totale.

Noţiuni de termochimie

Competenţe specifice:

• să clasifici reacţiile în funcţie de efectul lor termic; • să determini experimental efectul termic al unor fenomene fizice şi chimice; • să defineşti entalpia de reacţie; • să calculezi variaţia de entalpie ce însoţeşte o reacţie chimică din entalpii molare de formare standard;

capitolul

• să apreciezi caracterul exoterm sau endoterm al reacţiei după valoarea variaţiei de entalpie a reacţiei; • să stabileşti variaţia de entalpie a unui proces chimic pe baza legii lui Hess; • să apreciezi calitatea unui combustibil după puterea lui calorică; *• să explici rolul ATP-ului în celulele vii.

himie clasa a XII-a

2.1. Reacţii exoterme şi reacţii endoterme Observaţiile experimentale arată că reacţiile chimice sunt întotdeauna însoţite de o schimbare mai mare sau mai mică a temperaturii sistemului chimic. Aceste modificări ale stării termice a unui sistem chimic sunt numite efecte termice şi sunt studiate de termochimie.

Reţineţi

Termochimia studiază efectele termice ale reacţiilor chimice pe baza principiilor termodinamicii.

Aminteşte-ţi Stiati că... J a m e s Prescott Joule (1818 1889), fizician englez, a avut contribuţii deosebite în dezvoltarea termodinamicii. A cercetat căldura dezvoltată de curentul electric ce străbate un conductor (efect Joule - Lenz) şi a stabilit formula ei de calcul (1841). A verificat principiul transformării şi conservării energiei şi a calculat echivalentul mecanic al caloriei. Împreună cu W.K. Thomson, a observat (1852) micşorarea temperaturii unui gaz ce se destinde fără a efectua un lucru mecanic (efectul Joule - Thomson). A stabilit că energia internă a unui gaz depinde de temperatură. A calculat pentru prima oară viteza moleculelor unui gaz. Numele său a fost atribuit unităţii de măsură a lucrului mecanic şi energiei (joule).

Citiţi informaţiile de mai jos. Dacă aveţi nelămuriri consultaţi manualul de fizică, clasa a X-a, capitolul „Elemente de termodinamică”. • Un sistem termodinamic reprezintă un ansamblu finit format din entităţi macroscopice (corpuri şi câmpuri) care pot schimba energie între ele sau cu mediul înconjurător. • Ansamblul proprietăţilor sistemului la un moment dat determină starea termodinamică a acestuia, iar mărimile fizice asociate acestor proprietăţi sunt numite parametri de stare. • Modificarea stării termodinamice a unui sistem, în urma unor interacţiuni cu mediul exterior, reprezintă un proces termodinamic. • Două sisteme termodinamice aflate în echilibru termic, fiecare dintre ele separat cu al treilea, sunt în echilibru termic şi unul cu celălalt. • Forma de energie transferată între corpurile aflate în contact termic se numeşte căldură. • Când un sistem termodinamic primeşte căldură, Q>0, iar când cedează căldură, Q<0. • Cantitatea de căldură primită de un corp poate fi folosită la: - ridicarea temperaturii corpului; - efectuarea de lucru mecanic de către corp; - schimbarea stării de agregare a corpului. • Caloria reprezintă cantitatea de căldură necesară unui gram de apă pură pentru a-şi ridica temperatura cu un grad, de la 14,5°C la 15,5°C la presiune normală. Vom folosi valoarea aproximativă: 1 cal = 4,186 J. • Cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un corp de masă m, astfel încât temperatura lui să crească cu un grad, se numeşte capacitate calorică şi se notează cu C.

• Cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi unitatea de masă dintr-o substanţă, astfel încât temperatura ei să crească cu un grad, se numeşte căldură specifică şi se notează cu c.

• Căldura specifică molară reprezintă cantitatea de căldură necesară pentru a încălzi un mol de substanţă, astfel încât temperatura ei să crească cu un grad.

Noţiuni de termochimie

• Căldura necesară pentru topirea, vaporizarea, sublimarea unităţii de masă dintr-o substanţă, la temperatura la care decurge transformarea de stare de agregare, se numeşte căldură latentă specifică de topire, vaporizare, sublimare şi se notează cu .

Fig. 2.1.1. Sublimarea iodului

• Principiile calorimetrice: - principiul echilibrului termic, conform căruia mai multe corpuri cu temperaturi diferite ce formează un sistem termodinamic izolat, puse în contact, după un timp oarecare vor avea aceeaşi temperatură; - principiul egalităţii schimbului de căldură, după care atunci când între două corpuri ale unui sistem izolat are loc un schimb de căldură, cantitatea de căldură cedată de unul dintre ele este egală cu cantitatea de căldură primită de celălalt; - principiul egalităţii de căldură în procese inverse, potrivit căruia cantitatea de căldură pe care o absoarbe un corp într-o transformare este egală cu cea degajată de acesta în transformarea inversă. • Primul principiu al termodinamicii reprezintă principiul general al conservării energiei. Relaţia Q = U + L arată că energia termică primită de un corp se transformă integral în alte forme de energie (energie internă şi lucru mecanic).

Aminteşte-ţi

Efectul termic ce însoţeşte o reacţie chimică constă în degajarea sau absorbţia de căldură.

Reţineţi

Reacţiile exoterme sunt reacţiile care au loc cu degajare de căldură. Reacţiile endoterme sunt reacţiile care au loc cu absorbţie de căldură.

Efectuaţi experimentele A şi B din fişa de laborator 2.1.2. Comparaţi concluziile cu cele ale colegilor din alte grupe. Fişa de laborator 2.1.2.

Citiţi cu atenţie modul de lucru. Efectuaţi experimentele. Notaţi observaţiile, scrieţi ecuaţiile chimice şi completaţi spaţiile libere din rubrica 5. 1

Experimentul A

Reactivi şi ustensile

Modul de lucru

Ecuaţia reacţiei chimice

Observaţii şi concluzii

Reacţia de neutralizare dintre NaOH şi H2SO4 • soluţie apoasă de NaOH • 2 pahare Berzelius de 50 mL • soluţie apoasă de H2SO4 • termometru Introduceţi în primul pahar 15 - 20 mL de soluţie de NaOH şi în al doilea pahar 15 - 20 mL de soluţie de H2SO4. Măsuraţi cu ajutorul unui termometru temperatura celor două soluţii. Turnaţi conţinutul celui de-al doilea pahar (soluţia de H2SO4) în primul pahar şi măsuraţi temperatura. ti = ............................

tf = ............................ Soluţia se ............................. Reacţia de neutralizare are loc cu ............... de căldură. 11

himie clasa a XII-a

Experimentul B

Reactivi şi ustensile

Modul de lucru

Ecuaţia reacţiei chimice

Observaţii şi concluzii

Descompunerea cloratului de potasiu (KClO3) • KClO3

• eprubetă • cleşte de lemn • aşchie de lemn Introduceţi într-o eprubetă circa 1g de KClO3. Prindeţi eprubeta cu un cleşte de lemn şi încălziţi-o cu atenţie în flacăra unui bec de gaz. Când a început degajarea oxigenului, introduceţi în eprubetă o aşchie de lemn care are în vârf un punct incandescent (fig. 2.1.3.). Ce observaţi?

Descompunerea KClO3 are loc cu ........................ de căldură. Dintre reacţiile experimentate, reacţia de neutralizare este o reacţie exotermă. Notând cu Q cantitatea de căldură degajată, ecuaţia termochimică a acestei reacţii este: 2NaOH(aq) + H2SO4(aq)

Fig. 2.1.3. Descompunerea KClO3

Na2SO4(aq) + 2H2O(l) + Q

În ecuaţiile termochimice, sunt indicate stările de agregare ale substanţelor prin notaţiile: s (solid), l (lichid), g (gaz). Pentru substanţele din soluţiile apoase se foloseşte notaţia aq (aqua = apă). Reacţia de descompunere a cloratului de potasiu este o reacţie endotermă. Ecuaţia termochimică a acestei reacţii este: 2KClO3(s) + Q t 2KCl(s) + 3O2(g)

Reţineţi

Generalizând, schema generală a unei reacţii exoterme este: reactanţi produşi de reacţie + Q, iar a unei reacţii endoterme este: reactanţi + Q produşi de reacţie.

a) Precizaţi care dintre ecuaţiile chimice de mai jos reprezintă o reacţie exotermă şi care o reacţie endotermă. Scrieţi în dreptul fiecărei ecuaţii tipul reacţiei. Fe(s) + S(s)

NH4Cl(s) + Q

FeS(s) + Q

NH3(g) + HCl(g)

b) Amintiţi-vă cum decurg reacţiile de ardere a metanului şi de descompunere a metanului în acetilenă şi hidrogen şi completaţi ecuaţiile termochimice ale acestor două reacţii. CH4(g) + 2O2(g) 2CH4(g)

Reţineţi

CO2(g) + 2H2O(g)

C2H2(g) + 3H2(g)

Cantitatea de căldură Q, cedată într-o reacţie exotermă sau absorbită într-o reacţie endotermă, se numeşte căldură de reacţie.

Căldura de reacţie se măsoară în unităţi de energie (J, kJ, cal, kcal). Dacă se raportează la un mol de substanţă reactantă, se exprimă în unităţi de energie/mol (J/mol, kJ/mol, cal/mol, kcal/mol). Exemplu: C(s) + O2(g) CO2(g) + 393,5 kJ

C(s) + O2(g)

CO2(g) + 94 kcal

Noţiuni de termochimie

Info plus... Energia necesară desfacerii unei anumite legături dintr-un anumit compus reprezintă energia de disociere a legăturii. Energia de legătură pentru un anumit tip de legătură este media aritmetică a energiilor de disociere ale tuturor legăturilor de acest tip. Energia de legătură este o măsură a tăriei legăturii respective. Legătura este mai puternică dacă are energia de legătură mai mare. De exemplu:

Q>0

Q<0

Fig. 2.1.4. Schema transferului de căldură dintre un sistem chimic şi mediul exterior

Analizaţi schema de reacţii de mai jos şi precizaţi ce fel de legături se stabilesc între atomi în moleculele de H2, I2, HI, C2H4, C2H6. Descrieţi modul de desfăşurare a acestor reacţii.

În reacţiile chimice, au loc interacţiuni între atomi datorită cărora se desfac unele legături din reactanţi şi se formează noi legături în produşii de reacţie. Desfacerea unei legături chimice are loc cu absorbţie de energie, iar formarea unei legături chimice are loc cu degajare de energie. În timpul desfăşurării reacţiilor chimice pot avea loc şi modificări de stări de agregare sau de stări alotropice. Topirea, vaporizarea şi sublimarea sunt procese endoterme, iar solidificarea, condensarea şi desublimarea sunt procese exoterme. Efectul termic ce însoţeşte o reacţie chimică constă în bilanţul dintre energiile absorbite şi energiile degajate. De aceea, în ecuaţia termochimică trebuie să se specifice starea de agregare şi starea alotropică a reactanţilor şi a produşilor de reacţie, ţinând seama de condiţiile de temperatură şi presiune la care se desfăşoară reacţia. Cum cele mai multe reacţii au loc la temperatura ambiantă şi presiune normală, s-a convenit ca temperatura de 298K (25°C) şi presiunea de 1 atm să reprezinte condiţiile standard în care se determină căldura de reacţie. Termodinamica studiază schimbul de căldură şi lucru mecanic între un sistem termodinamic şi mediul exterior lui. În cazul unei reacţii chimice, sistemul termodinamic este sistemul format din speciile chimice participante la reacţie şi recipientul în care se află acestea. Tot ce se află în afara recipientului de reacţie este mediul exterior. Într-o reacţie exotermă, sistemul chimic cedează căldură mediului exterior şi, conform convenţiei de semn în raport cu sistemul, căldura are semnul minus (Q<0). Într-o reacţie endotermă, sistemul chimic absoarbe căldură de la mediul exterior şi, în raport cu sistemul, căldura are semnul plus (Q>0).

Aplicaţii 1. Scrieţi în spaţiul liber cuvântul din paranteză care completează corect fiecare afirmaţie. a) Într-o reacţie exotermă, se ............................. (cedează, absoarbe) căldură. b) În ecuaţia termochimică a unei reacţii exoterme, Q se scrie în membrul ............................. (întâi, al doilea). c) Într-o reacţie ............................. (exotermă, endotermă), sistemul chimic absoarbe căldură din mediul înconjurător. d) În ecuaţia termochimică a unei reacţii ............................. (endoterme, exoterme), Q se scrie în membrul al doilea. e) La ruperea unei legături chimice se ............................. (cedează, absoarbe) energie. 2. Marcaţi cu A (adevărat) afirmaţiile corecte referitoare la căldura de reacţie. ..... a) Căldura de reacţie este căldura cedată la formarea sau absorbită la scindarea unei legături chimice. 13

himie clasa a XII-a

..... b) Căldura de reacţie reprezintă cantitatea de căldură absorbită în procesele de topire şi vaporizare ale reactanţilor. ..... c) Căldura de reacţie reprezintă efectul termic ce însoţeşte o reacţie chimică. ..... d) Căldura de reacţie reprezintă cantitatea de căldură degajată într-o reacţie exotermă sau absorbită într-o reacţie endotermă. 3. Sunt descrise mai jos două procese chimice. Precizaţi dacă sunt reacţii exoterme sau endoterme şi scrieţi ecuaţiile lor termochimice. a) În timpul descărcărilor electrice, temperatura aerului în zonă poate depăşi 3000°C. În aceste condiţii, azotul şi oxigenul din aer se combină, formând monoxid de azot (NO). b) La scurt timp după ce a fost introdusă într-un cristalizor cu apă, bucata de sodiu se transformă într-o bobiţă sferică de sodiu topit, care se plimbă pe suprafaţa apei până se consumă total în reacţia cu apa. 4.

Sudarea prin aluminotermie se bazează pe reacţia: 2Al(s) + Fe2O3(s)

2Fe(s) + Al2O3(s) + 852 kJ

a) Calculaţi masa de aluminiu necesară cedării a 256,57 kcal, considerând transformarea totală. b) Calculaţi cantitatea de căldură degajată în reacţia unui mol de Al cu Fe2O3.

Industrial, etena se obţine prin dehidrogenarea etanului, conform ecuaţiei termochimice: CH3—CH3(g) + 137 kJ

CH2 = CH2(g) + H2(g)

a) Precizaţi dacă etanul trebuie încălzit sau răcit pentru a se descompune. b) Calculaţi cantitatea de căldură necesară descompunerii a 448 L (c.n.) de etan, considerând că nu au loc pierderi de căldură şi că reacţia este totală. 6.

Se consideră ecuaţia termochimică: C6H12O6 + O2

2CH3—CO—COOH + 2H2O + 483 kJ

glucoză acid piruvic Alegeţi şi subliniaţi varianta corectă din fiecare item. a) Reacţia de oxidare a glucozei la acid piruvic este: A) endotermă; B) nu este însoţită de efect termic; C) exotermă; D) ardere vie. b) Cantitatea de căldură degajată din oxidarea a 100 mmoli de glucoză este: A) 48,3 kJ; B) 4830 J; C) 24,15 kJ; c) Pentru a se degaja 7245 kJ, se consumă: A) 15 kmoli de glucoză; B) 2,7 kg de glucoză; C) 2700 kg de glucoză; D) 1500 moli de glucoză.

D) 4,83 kJ.

7. Se încălzeşte pe o spirtieră, într-un pahar Berzelius, 200 g de apă, de la temperatura de 20°C la temperatura de 80°C. a) Calculaţi cantitatea de căldură necesară încălzirii apei din pahar (cH O = 4,184 J/gK). 2 b) Calculaţi masa de etanol (C2H5—OH) care s-a ars pentru a încălzi apa, dacă la arderea unui mol de etanol se eliberează o cantitate de căldură de 1234,8 kJ şi 30% din căldura eliberată prin arderea etanolului se pierde. Din reacţia a 10g de sodiu cu apa, se degajă o cantitate de căldură de 78,68 kJ. Calculaţi procentul din 8. căldura de reacţie care este consumat pentru a aduce bucata de sodiu în stare topită. Se cunosc: căldura latentă specifică de topire a sodiului = 2,6 kJ/mol, căldura specifică a sodiului solid c = 1,23 J/g·K, temperatura de topire a sodiului p.t. = + 98°C şi se consideră că sodiul solid şi apa au iniţial temperatura de 20°C. 14

himie clasa a XII-a

Cuprins

Capitolul 1 CLASIFICAREA REACŢIILOR CHIMICE 1.1. Clasificarea reacţiilor chimice........................................................................................................... 6 Capitolul 2 NOŢIUNI DE TERMOCHIMIE 2.1. Reacţii exoterme şi endoterme.........................................................................................................10 2.2. Entalpia de reacţie............................................................................................................................15 2.3. Căldura de combustie, de neutralizare, de dizolvare........................................................................22 2.4. Energia în sistemele biologice..........................................................................................................29 Capitolul 3 NOŢIUNI DE CINETICĂ CHIMICĂ 3.1. Viteza de reacţie................................................................................................................................34 3.2. Teoria complexului activat...............................................................................................................39 3.3. Influenţa suprafeţei de contact asupra vitezei de reacţie..................................................................42 3.4. Influenţa concentraţiei reactanţilor asupra vitezei de reacţie. Legea vitezei de reacţie....................44 3.5. Influenţa temperaturii asupra vitezei de reacţie................................................................................50 3.6. Influenţa catalizatorilor asupra vitezei de reacţie.............................................................................53 3.7. Intermediari şi mecanisme de reacţie...............................................................................................57 Capitolul 4 REACŢII CU SCHIMB DE PROTONI 4.1. Exponenţii de aciditate şi bazicitate................................................................................................68 4.2. Amfoliţii acido - bazici....................................................................................................................74 4.3. pH-ul soluţiilor apoase.....................................................................................................................77 4.4. Reacţia de neutralizare. Titrări acido - bazice.................................................................................83 4.5. Hidroliza sărurilor............................................................................................................................87 4.6. Soluţii tampon în sisteme biologice................................................................................................92 Capitolul 5 REACŢII DE COMPLEXARE ŞI PRECIPITARE 5.1. Combinaţii complexe......................................................................................................................102 5.2. Reacţii de precipitare......................................................................................................................109 Capitolul 6 REACŢII CU SCHIMB DE ELECTRONI 6.1. Reacţii de oxido - reducere.............................................................................................................116 6.2. Potenţiale standard de electrod.......................................................................................................119 6.3. Seria potenţialelor electrochimice ale metalelor............................................................................127 6.4. Pile electrochimice.........................................................................................................................133 6.5. Pile electrochimice utilizate în practică..........................................................................................140 6.6. Electroliza - proces redox...............................................................................................................143 6.7. Legile electrolizei...........................................................................................................................147 6.8. Electroliza - metodă de obţinere a metalelor, nemetalelor şi a substanţelor compuse...................152 Exerciţii recapitulative.................................................................................................................................. 165 Anexe............................................................................................................................................................... 170 Răspunsuri...................................................................................................................................................... 174 Bibliografie..................................................................................................................................................... 175

176