KE03: Reaktioner och energi

KE03: Reaktioner och energi
●
Lärare: Annika Nyberg
[email protected]
●
Kursbok: Kaila et al.
●
Dessutom:
eller Wilma!
Kemi 3- Reaktioner och energi
Anteckninsmaterial, MAOL,
räknemaskin
KE01
Människans kemi och kemin i livsmiljön
KE03
Reaktioner och energi
KE02
Kemins mikrovärld
KE04
Metaller och material
KE05
Reaktioner och jämvikt
KE06
Labbkurs
KE07
Repetitionskurs
Grunderna för gymnasiets läroplan 2003: Kursens
mål är att de studerande skall
• förstå de faktorer som påverkar förloppet av kemiska
reaktioner samt inse faktorernas betydelse för livsmiljön
(industrin).
• förstår bindning och den frigörelse av energi som sker
vid kemiska reaktioner och inse förändringarnas
betydelse i samhället.
• kunna skriva reaktionsformler och bearbeta
reaktionslikheter matematiskt.
• kunna undersöka fenomen med hjälp av experiment
och olika modeller vid reaktioner, reaktionshastigheter
och reaktionsmekanismer.
Kursens innehåll
Kap. 1. Hur sker en kemisk reaktion
Kap. 2 Reaktionsformler
Utbyte
Räkneuppgifter med reaktionsformler.
Kap. 3 Reaktionstyper och mekanismer
Protonöverföringsreaktioner, reaktionsmekanismer.
Substitutionsreaktioner
Addition till karbonylgrupp
Kol-kol-dubbelbindningar
Kondensations- och hydrolysreaktioner
oxidations- och reduktionreaktioner
Förhör: organiska reaktionstyper
Kap 4. Gaser.
Förbränning
Gaslagarna, gasernas allmänna tillståndskvation. Molmassa
och densitet för en gas.
Förhör: Gasernas allmänna tillståndsekvation
Kap.5 Energiförändringar
Räkneuppgifter, gaser, energiförändringar
Entalpi, entalpiförändringar.
Reaktionshastighet, Kollisionsteorin, aktiveringsenergi.
Laborationer
Provförberedelse 27.3.2015 kl. 13.45-15
PROV KE03 måndag 30.3.2015 kl. 9.00-11.45
Provutgivning 2.4 kl. 12.15-12.45
Bedömning
●
Prov 80 %
●
Förhör 10%
●
Det slutliga vitsordet påverkas dessutom av:
–
Timaktivitet (visat intresse, arbetsinsats under
lektionerna)
–
Gjorda läxor (en läxuppgift/lektion + flera frivilliga)
1. Kemiska reaktioner
●
Vid en kemisk reaktion bildas nya ämnen
då gamla bindningar bryts och nya bildas.
●
En del av de kemiska reaktionerna kan observeras p.g.a
–
Att de utstrålar ljus
–
Temperaturförändringar
–
Färgförändringar
–
Att fällning bildas
–
Att gas frigörs
●
Det sker ingen kemisk reaktion då ämnen byter
aggregationstillstånd.
1.1 Hur sker en kemisk reaktion?
2.1 Att uttrycka en reaktion med symboler
●
●
Reaktionsformeln beskriver vad som sker i reaktionen.
Ex. Butan förbränns fullständigt till koldioxid och vatten.
1. Skriv ut formlerna för utgångssubstanser och
reaktionsprodukter samt symbolen för aggregationstillstånd.
2. Balansera
Balanseringstips:
●
●
Börja med att balansera de grundämnen som
förekommer i endast ett ämne på vardera sidan
av reaktionsformeln (ofta C och H).
Om ett grundämne förekommer i flera än ett
ämne på vardera sidan av reaktionsformeln:
Lämna det till sist!
Demo: MgO
Läxa till den 6.2
●
s. 29 uppg. 4
●
Frivilligt: s. 29 uppg. 6,7
●
Extra svår: s. 30 uppg. 8
s. 29 uppg. 4
Kursförväntningar 2015
Kursförväntningar 2014
2.2 En reaktionsformel är ett recept
2 H2 (g) + O2 (g)
→
utgångssubstanser
2 H2O (l)
reaktionsprodukter
• Antalet atomer av samma grundämne bör vara lika stort på
vardera sidan av reaktionsformeln !
+
→
●
Koefficienterna anger förhållandet mellan utgångssubstansernas och reaktionsprodukternas substansmängder.
Substansmängd
●
Substansmängden anger hur många atomer som
reagerar (=mängden substans):
n = substansmängd (mol)
m = massa (g)
M = molmassa (g/mol)
Koncentration
●
Koncentrationen anger hur många mol upplöst
ämne det finns i en liter (dm3) lösning.
c= n
V
c = concentration (mol/l)
n = substansmängd (mol)
V = volym (l)
Ex. Hur mycket koldioxid kan det
bildas då 1.00 g glukos jäser?
a) Skriv en balanserad reaktionsformel.
b) Beräkna substansmängden för det ämne som ges i uppgiften (nglukos).
c) Beräkna det sökta ämnets substansmängd (nkoldioxid) enligt förhållandet
mellan koefficienterna.
d) Omvandla substansmängden till den sökta enheten (mkoldioxid).
Läxa till den 6.2
●
s. 31 uppg. 15 a)
●
Frivillig: s. 33 uppg. 23
4a) Då man häller magnesiumpulver i saltsyra bildas det
vätgas och magnesiumklorid.
Mg(s) + HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g)
b) Då en järnspik upphettas, reagerar järnet med syret i luften
och spiken får ett ytskikt som består av järn(II)oxid.
Fe(s) + O2(g) → Fe2O3(s)
https://www.youtube.com/watch?v=5MDH92VxPEQ
2.3 Utbyte
●
Vid en kemisk reaktion bildas det ofta
en mindre mängd reaktionsprodukter än
vad reaktionsformeln förutsätter p.g.a
att:
–
Reaktionerna sällan sker fullständigt
–
Bireaktioner tävlar med
huvudreaktionen och biprodukter
bildas.
–
Produkterna ofta måste isoleras och
renas och vid dessa processer kan
en del av produkten försvinna.
Utbyte i procent =
verkligt utbyte
x 100%
teoretiskt utbyte
●
Ifall det procentuella utbytet är större än 100 %
innehåller produkten föroreningar.
Uppg 26 s. 33.
En reaktionsblandning innehåller 20,0 g
natriumvätekarbonat NaHCO3 och 50 cm3 6 M
klorvätesyra HCl.
a) Beräkna det teoretiska utbytet av natriumklorid.
b) Vid reaktionen bildas 12,3 g natriumklorid. Beräkna
det procentuella utbytet.
Reaktionsformel
Koefficienter
HCl
+
NaHCO3
→
NaCl +
H2O +
CO2
2.4 Reaktioner som sker parallellt
a) Om utgångsämnet är en blandning av två
eller flera ämnen, kan flera parallella reaktioner
ske.
–
Dessa reaktioner måste beaktas skillt för sig,
och reaktionsformlerna kan inte adderas.
Ex. 6 (s.25): En blandning av aluminium- och zinkpulver väger 1,00 g.
Då blandningen reagerar med klorvätesyra frigörs 0,080 g vätgas.
Hur mycket av vardera metallen innehöll blandningen ursprungligen?
•
Vardera ämnet reagerar skillt för sig enligt:
2 Al (s) + HCl (aq) → AlCl3 (aq) + 3 H2 (g)
Zn + HCl →
ZnCl2 (aq) + H2 (g)
http://www.youtube.com/watch?v
=pvhDkqXa3CQ
http://www.youtube.com/watc
h?v=A4XITC225uk
b) Reaktioner i flera steg
Då en reaktionsprodukt fungerar som
utgångsämne i följande reaktion.
●
Ex. Hur många gram salpetersyra kan
produceras av 56 g kvävgas?
N2 + 3H2 → 2 NH3
4 NH3 + 5O2 → 4 NO + 6 H2O
2 NO + O2 → 2 NO2
2 H2O + 4 NO2 + O2 → 4 HNO3
http://www.youtube.com/watch?v
=MTAGulTvVRA
3. Reaktionstyper och mekanismer
3.1 Vad sker med bindningarna i en kemisk reaktion
●
I kemiska reaktioner bryts gamla bindningar och nya bildas
–
Jonbindning: Positiva och negativa joner dras till varandra
och bildar ett kristallint jongitter. I utfällningsreaktioner sker
kristallbildningen snabbt.
–
Kovalent bindning: I reaktioner mellan molekylföreningar
bryts kovalenta bindningarna i utgångsämnen och nya
kovalenta bildningar bildas.
●
●
Man måste känna till elektronstrukturen hos en
förening för att veta hur den reagerar.
Strukturen för ammoniak och vatten:
3.2 Var sker reaktionen?
●
Hos organiska föreningar är det oftast de funktionella
grupperna som reagerar.
●
Organiska föreningar reagerar oftast så att en
elektronrik del i en molekyl (nukleofil) attackerar en
elektronfattig del (elektrofil) i en annan molekyl och en
ny kovalent bindning bildas.
●
Elektronrik: fria elektronpar
●
Elektronfattig: grundämnen som får
positiv delladdning p.g.a polär bindning.
●
●
För att den attackerande atomen inte skall få för
många bindningar, måste en gammal bindning brista
då en ny bildas.
HONC-regel!
3.3 Protonöverföringsreaktioner
●
Demo: ammoniak + saltsyra
●
Syra: Ämne som kan avge en proton, H+
●
Bas: Ämne som kan motta en proton, H+
●
●
Reaktionsmekanism (En modell som förklarar hur en
reaktion sker på atom- eller elektronnivå):
Krökta pilar visar elektronparets rörelse och
rörelseriktning.
Ammoniakens fria elektronpar bildar en ny bindning
medan den gamla H-Cl bindningen brister.
●
Klor får båda elektronerna från bindningen som brister
och blir därför negativt laddad.
●
Reaktion mellan syra och vatten
Reaktion mellan bas och vatten
●
Ex. 1(s.45) Ammoniak + vatten
Neutralisation
syra + bas → vatten + salt
●
●
●
Protonöverföringsreaktioner kan ske hos organiska
föreningar som har:
Karboxylsyragrupp (= syra)
Aminogrupp (= bas)
3.4 Substitutions- eller ersättningsreaktioner
●
En atom- eller atomgrupp ersätts med en annan atomeller atomgrupp.
A-B + C-D
●
Ex.
→
A-C + B-D
a) alkaner och cykloalkaner
●
●
●
Kemiskt passiva, reagerar dåligt
Reaktionen fodrar hög temperatur eller kraftig UVstrålning
H ersätts med halogen (F, Cl, Br, I)
Radikalmekanism (kedjereaktion):
1)
2)
3)
b) Bensen
●
●
Bensenringens struktur är mycket stabil p.g.a
delokalisering av elektroner.
H ersätts med en halogen (F, Cl, Br, I)
c) Halogenerade kolväten
●
Halogenen ersätts med -OH eller -NH2
●
Mekanism:
d) Aminer
●
Väteatomerna i aminogruppen ersätts med en
kolvätekedja (= alkylering)
Läxa
●
Läs s. 43-54 i boken
●
s. 76 uppg. Uppg.39, 44
3.5 Additionsreaktioner
●
TVÅ utgångsämnen reagerar (adderas) och bildar EN
produkt.
A + B → C
●
T.ex. Addition till en karbonylgrupp
a) Reaktion mellan karbonylgrupp och
natriumborhydrid
●
●
Klassificeras som både additionsreaktion (väte adderas)
och reduktionsreaktion (= antalet väteatomer i föreningen
ökar).
Aldehyd → primär alkohol
b) Addition av vatten till karbonylgrupp
●
Aldehyd → instabilt hydrat av etanal
c) Reaktion mellan koldioxid och vatten
d) Reaktion mellan karbonylgrupp och
metallorganiska föreningar
●
●
●
Metallorganiska föreningar är
föreningar där en metall är bunden till
en kolatom med en kovalent bindning.
Kolatomen får ett fritt elektronpar och
kan då angripa andra föreningar.
Metallorganiska föreningar reagerar
mycket häftigt med vatten, t.e.x nbutyllitium.
http://www.youtube.com/watch?v=GGsMZ0DXU8A
http://www.youtube.com/watch?v=cCjHtbfcMPo
Läxa
●
Läs s. 55-62 (inte blåa rutorna)
●
s. 78 uppg. 51
3.6 Addition till en dubbelbindning
●
●
En dubbelbindning består av två olika kovalenta
bindningar:
–
sigma (σ)
–
pi (π)
Pi-bindningen är mycket svagare och mear reaktiv än
sigmabindningen och öppnar sig därför lätt.
Mekanism:
Typiska additionsreaktioner:
Markovnikovs regel
●
Väteatomen binds till den kolatom vid
dubbelbindningen som redan tidigare
innehåller mera väte.
Additionspolymerisation
●
En kedjereaktion där upp till hundratusentals monomerer med
dubbelbindningar reagerar och bildar långa polymerer .
Elimineringsreaktioner
●
●
Additionens omvända reaktion. En liten molekyl
avlägsnas (elimineras) och en dubbelbindning bildas.
Ett utgångsämne bildar två produkter.
A
→
B
+
C
a) Eliminering av vätehalogenid
b) Eliminering av väte (dehydrering)
c) Eliminering av vatten
Kondensationsreaktioner
●
Två molekyler sammanfogas och som biprodukt bildas
en liten molekyl (ofta vatten).
a) alkohol + alkohol → eter
b) karboxylsyra + karboxylsyra → syraanhydrid
b) alkohol + karboxylsyra → ester
c) karboxylsyra + amin → amid
Hydrolysreaktion
●
Den omvända reaktionen till en kondensationsreaktion.
●
Ex. Tillverkning av tvål:
NaOH (aq)
3.8 Reduktion
3.8 Oxidation
K2CrO7
primär alkohol
aldehyd
sekundär alkohol
karboxylsyra
keton
Demonstration
●
Oxidation av bensylalkohol till bensaldehyd
Läxa
●
Förhör på reaktionsmekanismer:
–
Kunna namnge mekanismen rätt (alla namnalternativ ges färdigt)
–
Rita produkterna om utgångsämnena är givna