Mila Bulić
l(emi·a u 24 lekcije
PREDGOVOR
Državna matura je skup ispita čijim polaganjem učenici završavaju srednjoškolsko obrazovanje. Rezultati državne mature posebno su važni učenicima koji žele nastaviti školovaaje. Uvjete za upis na studijske programe visokih učilišta u Republici Hrvatskoj određuju sama visoka učilišta. Osim vrednovanja rezultata ispita dr"L1wne mature, vrednuj u se i ocjene iz srednje škole, a za pojedine studijske programe traže se i dodatne provjere vještina i sposobnosti potrebnih za uspješno studiranje. Iz kemije se tako piše dodatni test što organizira sam fakultet. Ovim je priručnikom obuhvaćeno cjelokupno gimnazijsko nastavno gradivo koje se nalazi u ispitnom katalogu iz kemije, s ciljem omogućavanja lakšeg svladavanja i uspješnog polaganja ispita. Priručnik je podijeljen u 24 lekcije, a svaka se sastoji od teorijskog dijela i zadataka za vježbu. Na kraju priručnika su ponuđena cjelovita rješenja zadataka te tablice koj~ su neophodne za učenje i razumijevanje kemije.
U teorijskom dijelu su objašnjene i definirane brojne pojave, procesi i pokusi. Opisana su karakteristična fizikalna i kemijska svojstva tvari, građa atoma, nastanak i vrste veza, svojstva kristala, energijski učinci kemijskih reakcija, svojstva otopina, kiseline, baze, soli, brzina i ravnoteža kemijskih reakcija te redukcijski i elektrokemijski procesi. U poglavljima anorganske kemije opisani su najvažniji elementi i njihovi spojevi, a u poglavljima organske kemije organski spojevi su razvrstani na temelju njihovih karakterističnih, funkcionalnih skupina koje su nositelji njihovih svojstava. Ispit državne mature iz kemije sastoji se od dviju ispitnih cjelina. Prva je sastavljena od zadataka višestrukog izbora, a drugu čine zadatci otvorenoga tipa. U ovom su prirnčni ku ponuđeni upravo primjeri takvih zadataka. Priručnik sadrži mnogo riješenih zadataka koji su rješavani korak po korak, uz detaljna objašnjenja, kako bi se svladao postupak rješavanja i povezanost zadanih i traženih veličina. Stoga je važno vježbati rješavanje zadataka za koje nisu dovoljne samo znanstvene činjenice već je potrebno znati interpretirati informacije, uspoređivati ih, klasificirati, objasniti, te primijeniti znanja i razumijevanja u određenim problemskim situacijama. Svako uspješno učenje temeljeno je na razumijevanju te vjerujem da će vam ovakav rješavanja zadataka uvelike pomoći u uspješnom polaganju državne mature iz kemije ili testu provjere znanja iz kemije, koji provodi npr. Medicinski fakultet. način
Moja preporuka je najprije polaganim tempom od jedne lekcije tjedno svladati nastavno gradivo za što je potrebno 6 mjeseci, a nakon toga pred sam ispit ponoviti po jednudvije lekcije dnevno (potrebno 15 dana).
SADRŽAJ
I. lekcija 2. lekcija 3. lekcija
4. lekcija S. lekcija
6. lekcija 7. lekcija S. lekcija
9. lekcija 10. lekcija 11 . lekcija 12. lekcija
13. Jekcija 14. lekcija 15. lekcija
16. lekcija
17. lekcija 18. lekcija
19. lekcija 20. lekcija 21 . lekcija
22. lekcija 23. lekcija 24. lekcij a
Tvari . . ........ ... . ... . . . . ... . . . .......... 1 .Aton1 . . . . . . .. . . . ............ . . . . . ...... . . I 5 Periodni sustav elemenata. ............ . . . ... . 29 Osnove kemijskog raču na i stehiometrije . . ...... 39 Kemijske veze . . . . ... . .. . . ........ . . . . . . . . . 49 Kristah1i sustavi .... . .. . .. . . . . . ... ......... 67 Energijski učinci kemijskih reakcija .... . . . . . . . . 77 Tekućine, otopine i koloid i . . .. . . . ...... .... .. 85 Brzina i ravnoteža kemijskih reakcija . .... . . . . . . 97 Kiseline, baze i sol i ... . . .. . . . . .... .... .... . 105 Redukcij sko-oksidacijski procesi . . .... . . ... .. 117 Elektrokemijsk i procesi .... . . ........ . . . . . . 121 Alkalijski i zemnoalkalijski metali . . . . .. . .... . 131 Tehnički važni metali . . . .. . .... . . .. ... . . ... 14 1 Vodik i plinski zakoni ... . .. . . ... .... .... . . . 149 Halogeni i halkogeni elementi ..... . .. . . . . . . . 159 Dušikova skupina ......... . . . . . . . ......... 169 Ugljikova. skupina . . . .......... . . ... . . . . ... 177 Ugljikovodici . . . . . . . . .. . . . . .... .. .. . . . . . . 183 Alkoholi, fenoli, eteri .. . .. . . . . . . . ..... . . ... 195 Aldehidi i ketoni .. . . . . . . .. .. .. . .... . . . . . . . 205 Karboksilne kiseline i nj ih ovi derivati . ........ 211 Uglj ikohidrati .. . . . . . . . .. . . ..... . .. . . . . . . . 221 Amini, aminokiseline i proteini ... . .. ....... . 229 Rješenja zadataka .. .. ........... . . . . . . . .. . 239 Tablice ..... . . . . . . . . . . . . .... .. . . .. . . . . . . 309 Rječnik
pojmova .. . . . . . . .. . . . . . . ..... . .... 317
Kazalo pojmova .. . ........ . ..... . . ... .... 325 Literatura ..... . .. . .. . . . . . . . . . .. . . . ..... . 329
1.
lekcija
I ,.
Tvari
Kemija je prirodna znanost koja proučava sastav, građu i svojstva tvari, reakcije tvarima i čimbenike koji utječu na kemijske reakcije. Tvari izgrađuju sve što nas okružuje. Tvar je sve ono što zauzima prostor i ima masu, a kako je omjer mase i volumena gustoća, tvari je m oguće definirati pojmom gustoće. ideja da su tvari građene od sitnih čestica potječe još od grčkih filozofa. Demokrit (5. st. pr. Kr.) uvodi pojam atoma (grč. atomos = nedjeljiv). Atomi grade čiste tva,i (kemijske elemente). Svaki j e element graden od atoma istog protonskog broja. Spajanjem elemenata nast~ju čiste tvari - kemijski spojevi. Tvari se označavaju kemijskim simbolom (elementarne tvari) i kemijskom formulom (kemijski spojevi). među
Tvari u prirodi dijelimo u dvije skupine:
> >
čiste
tvari i
smjese tvari.
Ćiste tvari dijelimo na elementarne tvari i kemijske spojeve. Čiste tvari su homogene tvari određenog i stalnog kemijskog sastava i stalnih svojstava, pa je tako npr. u NaCl uvijek w(Na)=39,34 %, a w(C1) = 60,66 %. Jednostavne č i ste tvari ili elementarne tvari ne mogu se kemijskim postupcima rastaviti na drnge čiste tvari, to su npr. natrij , kisik, klor, zlato ... Složene čiste tvari ili kemijski spojevi mogu se kemijskom reakcijom rastaviti na elementarne tvari ili mogu iz njih nastati, npr. natrij + klor= natrijev klorid.
čiste tval"i jednostavne i složene
smjese
homogene
heterogene
razdvajanje smjesa: • homogene: destilacija, kristalizacija, hlapljenje, isparavanje, ekstrakcija, kromatografija • heterogene: magnetom, isparavanje, filtracija, frakcijska destilacija, subfimacija, ekstrakcija, kromatograftja, sedimentacija, dekantiranje ...
elementarne tvari
kemijski spojevi
i
metali/ ':metali polurnetali
Element je tvar (supstancija) koja se sastoji od samo jedne vrste atoma. Spoj je supstancija koja se sastoji od dviju ili više vrsta atoma spojenih u stalnim omjerima.
2
Kemija u 24 lekcije
-.
Uvod
ELEMENTARNE TV ARJ
o
i
atomi elemenLa
molekule elementa
•
atomi u kristalnoj rešetki
Elementarne tvari mogu biti građene od istovrsnih atoma (npr. plemeniti plinovi) i molekula istovrsnih atoma. Elementarne tvari kc~je su građene od molekula istovrsnih atoma mogu biti graclene od dvoatomnih i višeatomnih molekula, a označavaju se kemijskom formulom: a) dvoatonme molekule: vodik (H2) , dušik (N2 ), kisik (0 2) , fluor (F 2 ) , klor (Cl2) , brom (Br) i jod (I) b) četveroatomne molekule npr.: fosfor (P,i) c) osamatomne molekule npr.: sumpor (S 8). Metale, ugljik, polumetale i plemenite plinove uobičajeno je označivati samo kemijskim simbolom, npr.: željezo (Fe) - metal, ugljik (C) - nemetal, german.ij (Ge) - polumetal, helij (I-le) - plemeniti plin.
O oO
o
atomi elementa
molekule elementa
molekule spoja
smjesa dvaju elemenata i spoja
Važno svojstvo tvari je da ima stalan sastav. Sm_jesu definiramo kao sustav koji se sastoji od dviju ili više tvari koje međusobno kemijski ne reagiraju. Svaka tvar u smjesi zadržava svoja fizikalna i kemijska svojstva. Smjese mogu biti homogene i heterogene. Homogene smjese su smjese dviju ili više tvari, a imaju isti sastav u svakom svom dijelu pa komponente od kojih se sastoje ne možemo razlučiti okom, povećalom ili mikroskopom. To su npr. vodena otopina šećera i soli, legure, smjese plinova... Mnogi svakodnevni materijali i tvari (zemlja, stijene, mlijeko, drvo...) su smjese i to ·heterogene jer svojstva i sastav materijala nisu ravnomjerni. Većina tvari u prirodi su heterogene smjese. Sastav smjese je promjenjiv, a kako tvar u smjesi zadržava svoja svojstva, tako sastojke smjesa možemo odijeliti određenim postupcima. Sastav smjesa iskazujemo udjelima. Maseni Kemiia u 24 lekcije
3
1. Tvari udio je omjer mase sastojka i mase ukupne smjese. Volumni udio je omjer volumena sastojka i volumena ukupne smjese. Svaka tvar ima fizikalna i kemijska svojstva. Fizikalna svojstva tvari su ona koja se mogu opaziti i mjeriti a da se ona ne promijeni u neku drugu tvar. Pri fl:zikalnoj promjeni vrsta tvari se ne mijenja, mijenja se samo obl ik, faza, agregacijsko stanje. Kemijska svojstva tvari su ona koja se odnose na sudjelovanje tvari (supstancije) u kemijskoj reakciji. Pri kemijskoj prom_jeoi tvar se mijenja, nastaje nova tvar čija su kemijska i fizikalna svojstva različita od svojstva polazne tvari. Svaka kemijska reakcija uključuje i promjene u kemijskim vezama. Kemijsko svojstvo vode je mogućnost elektrolitičkog rastavljanja na plinove vodik i kisik. Tvari u prirodi nalaze se u tri osnovna agrcgucijska stanja : čvrstom (s), tekućem {I) i plinovitom (g). Agregacijsko stanje ovisi o vrsti tvari, temperaturi i tlaku. Čvrste tvari imaju stalan oblik i volumen, privlačne sile među česticama su jake, praznine male i česti ce titraju oko ravnotežnog položaja. Tekuće stanje je manje uređen sustav, zauzima određen volumen, ali nema određen oblik. Plinovito stanje je najmanje uređen sustav, čestice se gibaju kaotično, nema stalnog volumena niti oblika, pa plin poprima oblik i volumen posude u kojoj se nalazi. Posljedica udaranja česti ca plina o stijenke posude je tlak plina. U kojem će agregacijskom stanju biti tvar ovisi o njenoj temperaturi i tlaku. Promjenom agregacijskog stanja tvari mijenja se i gustoća tvari iste mase, a promjene su praćene primanjem ili oslobađanj em energije. Primjerice, zagrijavanjem tekućine čestice dobivaju potrebnu energiju i prelaze u plinovito stanje (isparavaju). Iznad tekućine u posudi uvijek se nalazi određeni broj čestica u plinovitom stanju, pa kažemo da tekućina ima tlak para koji ovisi o temperaturi i uvijek raste s porastom temperature. Kad se tlak para tekućine izjednači s atmosferskim tlakom tekućina proključa. Tijekom isparavanja se temperatura tvari ne mijenja tako dugo dok sva tekućina ne prijeđe u plinovito stanje. Plinovi hlađenjem kondenziraju u tekućinu. Lako hlapljive tekućine su one koje isparavaju na niskim temperaturama (benzin, eter). Promjene t rnri
ke1 "<;ke
ikalm taljenje, isparavanje, kristalizacija, sublimacija ... promjene agregacijskih stanja tvari tlak para.
sinteza, analiza (piroliza, elektroliza, foto liza).
Energija
:gzoter· 1e spontani proces, oslobađa se energija kondenzacija očvršćivanje
kristalizacija nastajanje ionskih spojeva topljivost plinova.
4
Kemija u 24 lekcije
end• , ·mne energija se troši taljenje sublimacija isparavanje.
Uvod
1
plinovito (g)
taljenje
očvršći vanje
čvrsto
(s)
tekuće
(l)
Svaka tvar ima karakteri sti čno talište i vrelište koji se mogu mijenjati ako nekoj tvari dodamo drugu tvar. Primjerice, točka tališta kisika je -219 °C, a vrelište mu je - 183 °C. Prijelaz iz čvrstog u plinovito stanje zovemo sublimacija. Sublimiraju npr. jod, amonijev klorid, kamfor, naftalen i suhi led (čvrsti C0 2). Svaka promjena u prirodi je praćena promjenom energije sustava (promatrani dio) ili okoline (izvan sustava). Kada sustav prima energiju iz okoline, promjena je endotcrmna i tada se povećava energija sustava, a smanjuje se energija okoline. Kada sustav predaje energiju okolini, promjena je egzotermna, energija sustava se smanjuje, a energija okoline raste. Energija je ekstenzivno svojstvo (mijenja se promjePc ----·--nom ko ličine uzorka, kao npr. masa i TEKUĆA volumen), a temperatura je intenzivno FAZA svojstvo supstancije (ne ovisi o količin i uzorka, kao npr. gustoća i viskoznost). Dijagrami koji prikazuju agregacijsko stanje tvari pri određenoj temperaturi i tlaku su fazni dijagrami. Uočite tri površine (kruto, tekuće i plinovito stanje), te tri krivulje: sublimacije, taljenja i isparavanja. Na sjecištu krivulja je trojna točka i pri toj temperaturi tvar je u sva tri agregacij ska stanja. Za vodu je to 0,0 1 °C pri tlaku od 610kPa.
T
: trojna točka
PLINOVITA
FAZA temperatura, T
Kemija u 24 lekcije
5
1. Tvari
IRazdvajanje smjesa
I
Homogene i heterogene smjese možemo rastaviti na čiste tvari od kojih se sastoje. Homogene smjese nazivamo i otopinama. Sastojak otopine kojeg ima u većem udjelu je otapalo, a drugi sastojak je otopljena tvar. Proces suprotan otapanju je kristalizacija. Filtriranjem se odjeljuje talog od tekućine tako da na filtarskom papirn zaostaje talog, a kroz filtarski papir prolazi filtrat (odjeljivanje se zasniva na veličini čestica jer na filtarskom papiru zaostaju čestice veće od njegovih pora). Sedimentiranjem se odjeljuje smjesa tekućine i kn1te tvari tako da se teža tvar slegne na dno (ili. ako je lakša ispliva na površinu). Postupak odjeljivanja tekućine iznad taloga zovemo dekantiranje te ga koristimo za odjeljivanje netopljivih krntina velike gustoće od tekućina. Sublimacija je prijelaz tvari iz čvrstog u plinovito stanje (kod npr. joda, naftalena, amonijeva klorida). Amonijev klorid se zagrijavanjem ne rastali, već se raspada na plinove: amonijak i klorovodik, dok u hladnijem dijelu epruvete (niža temperatura) nastaje bijela, kruta obloga od ponovno kristaliziranog amonijeva klorida. Destilacijom se odjeljuju tekućine od otopljenih čvrstih tvari. Pare otapala se odvode u hladilo, gdje se ponovno kondenziraju u tekućinu k~ju nazivamo destilat Postupno odjeljivanje tekućina bliskoga vrelišta naziva se frakcijskom destilacijom (tako se iz zraka odvajaju dušik i kisik). Kromatografijom se odjeljuj u čiste tvari iz homogene smjese. Zasniva se na različitoj sposobnosti adsorpcije (vezanja) čistih tvari iz smjese za odgovarajući adsorbens (npr. gel silikatne .kiseline, Si02 x nI-12 0). Adsorbirane čiste tvari razdvajaju se zatim pogodnim otapalom. Svaka se komponenta kreće različitom brzinom i tako odvaja. Dobiva se tzv. krnmatogram. Ekstrakcija je postupak odjeljivanja tvari iz homogene smjese, a zasniva se na različitoj topljivosti neke tvari u dvama otapalima koja se međusobno ne miješaju. Heterogene smjese se mogu razdvojiti u svoje sastojke korištenjem fizikaJnib pro1njena. Neravnomjemost sastava heterogene smjese ne može se uvijek Jako uočiti (npr. mlijeko se ne čini heterogenom smjesom, ali pod mikroskopom lako se uočavaju sitne kapljice masnoće suspendirane u bistroj tekućini).
I. razdvajanje smjese sumpora i željeza magentom
6
Kemija u 24 lekcije
2. filt1iranje
3. destilacija
. Kemijske promjene
4. sublimacija joda i amonijeva klorida
n.
5. sedimentacija i dekantac.Ua
~ (~
ex :>== .j
ij,v,k" odljm,je . JO . da u O[Opma
\
1·
VQ( I
otopina joda u kloroformu
6. aparatura za ekstrakciju
IKemijske promjene Da bismo opisali kemijsku promjenu, služimo se kemijskom jednadžbom. Jednadžba kemijske reakcije je najsažetiji prikaz određene kemijske promjene. Tvari k~je ulaze u reakciju nazivamo reaktantima, a tvari koje nastaju u kemijskoj reakciji nazivamo produktima. Kemijska jednadžba ima opći oblik: reaktanti ._ produkti
Npr. gorenjem magnezija nastaje magnezijev oksid. Taj proces nadžbom: Mg + 0 2 -+ MgO reaktanti
predočavamo
jed-
produkti
Prema zakonu o očuvanju mase, ukupna masa reaktanata treba biti jednaka ukupnoj masi produkata. Stoga izjednačavamo broj atoma reaktanata i produkata upisujući odre-
,
Kemija u 24 lekcije
7
.f Tvari đeni broj - stehiometrijski koeficijent. Ispravna jednadžba ima označena i agregacijska stanja reaktanata i produkata te glasi:
2Mg (s) +
O Z(g)---+
2Mg0 (s)
Oznake agregacijskih stanja: (s) - čvrsto stanje, (1) - tekuće, (g) - plinovito, (aq) - vodena otopina. U nekim kemijskim reakcijama koriste se katalizatori (tvari koje ubrzavaju kemijsku reakciju), a kako ne sudjeluju u reakciji, pišu se iznad strelice. Ako se neka tvar otapa u vodi, na strelicu pišemo H?O. Podatci napisani iznad strelice označavaju uvjete u kojima se reakcija izvodi (p, t, hv, 11 - kad zagrijavamo). Postoji više vrsta kemijskih reakcija: redoks-reakcije, reakcije razlaganja, reakcije taloženja i otapanja, reakcije u kojima dolazi do izmjene iona, reakcije neutralizacije ... Kemijske reakcije koje se odvijaju u oba smjera nazivamo povratnim ili reverzibilnim reakcijama. Tijek povratnih reakcija označujemo s dvije suprotno usmjerene strelice (reaktanti !::; produkti). Kada se jedan element zamijeni drugim elementom u kemijskome spoju, dolazi do jednostavne reakcije zamjene.
A + BC-B + AC Sve što je napisano u jednadžbi treba znati i pročitati kvalitativno (koje tvari sudjeluju i nastaju) i kvantitativno (koliko): p, t,kar
N2 (gl + 3H2 (g)
2NH3 (g)
Kvalitativno: reakcijom plina dušika i plina vodika pri povišenom tlaku i temperaturi uz kata.lizator nastaje plinoviti amonijak. Kvantitatimo: reakcijom jedne molekule plinovitog dušika i tri molekule plinovitog vodika pri povišenom tlaku i temperaturi uz katalizator nastaju dvije molekule plinovitog amonijaka.
8
Kemija u 24 lekcije
1. lekcija: Zadatci
L
J?retoži m~tode .za odvajanje s~stojaka- iz sljedećih smjesa: 1• \<.f,'·tt•" ,r-r)~C , \<0~ p"'--h'~\ ohol i b) sol'1voda i kisik iz zraka u1<.o~ •1 J'~/S ?\"""',. d) strugotine željeza i sumpor e) jod u vo1enoj otopini ~lorofor:t~k'č-\'<..;:__ \, 1r• (. ·::
vo~iĆ?
,
L
ćJ..:dušik
'\ r- -
I
,C
I
()
Nabrojene tvari razvrstajte na elementarne tvari, kemijske spojeve, homogene i heterogene smjese. Znakom X označ i kojoj vrsti tvari pripada pojedina tvar. Homogena smjesa
Elementarna har
Heterogena smjesa
Kemij,ki spoj
>(
zlatni_P.rsten bizmut zlatoto,Eka granit
)(
ocat
x_
x.
šećer
L
Što je magla? a) Tekućina raspršena u
tekuć in i.
c) Tekućina raspršena u čvrstoj tvari.
b) Plin raspršenu
tekućini .
~Tekućina raspršena u plinu.
' ~ Koja tvar ima najviše talište? (a}piJamant
c) šećer
b)jod
,_,/
d)bakar.
5. _ š to će se dogoditi kada u prezasićenu vodenu otopinu limunske kiseline ubaciš kristalić limunske kiseline? a) Kristalić će se otopiti. (b))Počet će kristalizacija limunske kiseline. c)Sustav će se ohladiti.
L
Homogena smjesa je: a) vino
b) morska voda
d) nezasićena vod. otopina NaCI
L
c) medicinski alkohol e) vi odgovori su točni.
Fizikalnu promjenu predstavlja: a) otapanje leda
b) otapanje sladoleda
d) istjecanje plina iz plinske boce
c savijanje staklene cijevi e) vi odgovori su točni.
Kemija u 24 lekcije
9
1. Tvari
8~ Kemijska promjena je: a) isparavanje vode iz čaše
(bj'gorenje magnezija ) sublimacijajoda.
c) taljer~je željeza
L
Prouči slj edeće
znakove. Koriste se za označavanje otrova i opasnosti u laboratoriju.
XI
Xn
T+~
T~
OTROV
VRLO LAKO ZAPAUIVO
X - - --
VRLO JAKI OTROV
---l
NADRAžWUćE
OKSIDIRAJUĆE
EKSPLOZIVNO
LAKO ZAPALJIVO
NAGRlZAJIJĆE
1O. Što je karakteris1 ičn o za plinovite tvari? a) Imaju stalan oblik i volumen. b) imaj u stalan volumen, ali nemaj u stalan oblik. @emaju niti stalan oblik niti volumen. d) Ništa nije točno.
_:11_ Odgovaraj uće slovo ispred promjene napiši na crtu. Za vrijeme zagrijavanja: a) alkohol isparava b) na površini Cu žice stvara se cmi s loj bakrova(H) oksida c) drvena se trešč ica zapali pa pougljeni d) šećer se rastal i pa pougljen i.
b
Kemij ske promjene su ,G, , fizikaln e promjene su ~ Q...--=..__ _ _ , fizikalne i kemijske promjene sti _ _ .....,. d.,___ _ _
12. Kojim se od navedenih procesa os l obađa energija: a) sublimacijom joda @orenjem magnezijeve lrnke uz pojavu svjetlosti c) taljenjem leda d) isparavanjem vode? 13. Razvrstaj tvari na smjese i
č iste
tvari:
b) Yegeta
c) zemlja
d) modra galica
e) granit
t) ugljikov dioksid
g) žbuka
h) vodovodna voda
i) živa
j) sumpor
k) kisik
I) limunada. t.
a) bakar
\
~"kESt ·.vE.~~ u , JC.1,1 IO ' ,, c ,,
.A .U::· " v 1>.-t>\, \ 1 \..J \ \· r ,-.., r \ ~ 1V1,I'-. , \QC\\,LO,. ( ,\' eč\10 S\C...'-\.' <'-IS \....L/ l
10
'--
Kemija u 24 lekcije
1
ll-lS.; [L
S\J'(t"l?()( 1
l- '
CJ
I
'::/ P
.
.le , Le
~ · 'O J -'- '.J
,
V.V
J
1. lekcija: Zadatci 14. Pridruži broj ispred naziva promjene rečenic i koja je opisuje tako da u tablicu upišeš X
_ 1. kristalizacija
3. isparavanje 6. sublimacija.
2. otapanje
4-.--1<'6ndenzacija
- &:---sedimentacija
A. Alkoholne pare hlađenjem prelaze u tekućinu. B. Raspršene čestice željeznog praha u vodi padaju na dno čaše. C. Tsparavanjem vode iz otopine so.li izlučuju se k:tistali soli. D. Zagrijavanjem smjese željeza u prahu i joda možemo odv ojiti jod. E. Voda zagrijavanjem prelazi u paru. F. Rastvaranjem kristalića joda u vodi dobivamo otopinu joda.
-
X
1.
2.
---
)(
X.
3.
X
15. Smjesa A sastoji se od pijeska raspršenog
u vodenoj otopini kalijeva pem1anganata. Pojedini koraci odjeljivanja dvaju sastojaka iz te smjese predočeni su crtežima l i 2.
smje~a A
filtrat C
a) Kako se naziva postupak odjeljivanja taloga B iz smjese A? -c 1 _""1<..n, 1,:, ·č-E b) Napiši nazive taloga Bi filtrata C.--pčes~I.<_ I O ~ I ~ K\triC)u c) Crtežom 1 predočene su dvije smj ese: A i C. Koja je od tih smjesa het~rogeoa? A d) Kako se naziva postupak odjeljivanja tekućine D iz filtrata C?c\e,':;..~\(_,~s e) Koja je tvar tekućina D? :C:C~, t) Navedi dvije promjene koj e su se dog.odi le tijekom odjeljivanja tekući ne D iz filtrata C. '.Sitif0,.0Gfl~S ~1.,cndE..r/l..u~/U g) Koje si sastojke odrjel' o iz smjese A p\~dočenim pokusom?
.
JcdD \
. 9~E:. c...._. o~
1. Tvari
16. Topljivost KN0 3 pri različitim temperaturama je prikazana dijagramom. 150
100 85,5
mHzOIIOO g 50
31,6
O
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
tf°C
U 100 g vode pri temperaturi od 20 °C može se otopini najviše 2:A G .g I KN03. Ako je pri toj temperahtri otopljeno 44 g tada je takva otopjna ..::)"te. ~c&,C~CAko se temperatura smanjuje, topljivost kalijeva nitrata se'a'f'ol\j \..' .
u
-
17. U tablici je navedena topljivost sumpora u CS2 kod raznih temperatura. m(S) otopljenog u 100 g CS 2
24,l 29,9 35,2
42,4 51,5 63,4
30
s:
a) Kako mije~ja top!jivost sumpora ~.ugljiko:7u disul~du ~ porasto~!emperature~ \IJ(~i~J:S. b) Ako pnprenus otopmu od 200 g uglJ1kova d1sulfida 1 u nJen:iu, otop1s 70,4 g sum- :..:o<::'._ pora pri temperaturi od 15 °C., kakv u otopinu ćeš dobiti? ~.{..Y~) C - 1 ; '.) -;_\.! •, 1 c) Kada otopinu (pod b)) zagriješ na 30 °C kakva će postati? ·r,~~\C.QA c,
18. Jod je dobro topljiv u dietil-eteru. Kojom bi ga metodom mogao izdvojiti iz vodene otopine nastale rastvaranjem kristal ićajoda u vodi: a) fi ltracijom b) sublimacijom @ kstrakcijom
d) kromatografijom?
19. U menzuri su tri tekućine koje se međusobno ne miješaju: voda (gustoće = l ,00 g cm- 3 , biljno ulje (gustoće = 0,96 gcm- 3) i živa (gustoće = 13,5 gcm-3). Koja tekućinaje na dnu? 1~10.. Koja tekućina je u sredini? ·v-c..\m Koja tekućina je na vrhu? v\ 'i, i'..\_\ :1 t. ~
20. Svaka od navedenih slika prik'izuje homogenu plinsku smjesu. Opiši svaku s obzirom na broj pr isutnih elemenata i/ili spojeva:
12
Kemija u 24 iekcije
1. lekcija: .Zadatci
21 . Prikazane su dvije različite smjese. Kad se smjesa s 273 K zagrije na 473 K dogodi se nekoliko kemijskih i fizikalnih promjena. Navedi ih.
273 K J
('
22. Prikazan je uzorak tvari A koji je podložan ra.tl-ičitim promjenama B i C. Koja od p1ikazanih promjena prikazuje kemijsku, a koja fizikalnu promjenu?
,..
( . \ ' I.., ,;!c
"'--
\I
23. Koji od pojedinih koraka (1-5) uključuje fizikalne, a koji kemijske promjene?
C
1'-1='.
-
kExn·.~ j
4
Kemija u 24 lekcije
13
1: Tvari 24. Dvije prikazane slike A i B prikazuju promjene. a) Koja prikazuje fizikalnu promjenu? .A_ b) Koja prikazuje kemijsku promjenuT6 c) Koja promjena rezultira promjenom agregacijskog stanja?"'-
B
građu agregacijskih stanja četiriju navedenih tvari pri sobnoj temperaturi i atmosferskom tlaku. Na praznu crtu ispod pojedinog crteža upiši kemijsku formulu one od navedenih tvari čiju građu najbolje opisuje:
25. Crteži prikazl1ju
a) elementarni brom
b) natrijev klorid
f)u gljikov dioksid
d) elementarni kalij.
Cl.
C2.
C4.
C3.
--26. Na vanjske stijenke epruvete uhvatili su se kristalići joda. U epruvetu je usuta tvar X te je epruveta potom napunjena destiliranom vodom do 1/3 svoga volumena. Ubrzo su se oko epruvete pojavile ljubičaste pare joda. a) Koja od ponuđenih tvari može biti tvar X? Zaokruži slovo ispred točnog odgovora:
A. natrijev klorid @
alcij~v oksid
C..š~ćer
,
D. granule cinka.
b) Objasni svoj odgovor.~UAOr<\ ~C.~~IJC!• .
27. Izaben dVJJe tvan koje mijesanJem p1"i ~ nOJ temper~rf t"Jf'ormalneJll tJ.'aku mogu dati i homogenu i heterogenu smjesu:
a) željezo
14
Kemija u 24 lekcije
LJ ' }kuhinjska sol~
da
d) bakar
e) ulje.
2.
lekcija
2.Atom
!Atom Atom je najmanja građevna jedinica elementa koja može postojati sama ili biti kemijski vezana s atomima istog ili drugih elementa. Atom kroz povijest:
111111
Tko'?
Što·?
Demokrit
Uvodi naziv atom. Za njega i prethodnika Leukipa postoje samo atomi, a sve je ostalo prazan prostor.
1808. g.
John Dalton
Sve tvari su izgrađene od malih čestica - atoma koji se ne mogu dijeliti na manje čestice, a atomi jednog elementa imaju ista svojstva. Atomi se međusobno spajaju tako da se mase tih elemenata odnose kao mali cijeli brojevi. Daltonovi postulati jasno objašnjavaju zakon o očuvanju mase (Antoine Lavoisier) kao i zakon stalnih omjera masa (Joseph Proust). Dalton se koristio svojom teorijom u predviđanju nastajanja različitih spojeva danog para elemenata, čimeje objasnio zakon umnoženih omjera masa koji se upravo i naziva po njemu: Daltonov zakon umnoženih omjera masa.
1897. g.
James Thomson
Otkrio elektron i pokazao da su atomi djeljivi. Prema njegovu modelu, atom je pozitivno nabijena kugla u koju su umetnuti elektroni (model kolača s grožđicama).
19] 1. g.
Emest Rutherford
Model po kojem je atom uglavnom prazan prostor s gustom jezgrom, pozitivno nabijenom, dok oko nje krnže elektroni (poput Sunčeva sustava).
1913. g.
Niels Bohr
Uvodi orbite kojima pripada sasvim određena energija, a u kojima je moguće naći elektrone. Dok se elektron giba oko jezgre na orbiti, ne emitira niti apsorbira energiju. Dovođenjem energije moguće je podizanje elektrona u više orbite (pobuđeno, nestabilno stanje). Elektron se spontano vraća u prvu orbitu pri čemu emitira svjetlost energije koja odgovara razlici energija tih orbita. Ovaj model je primjenjiv na vodik, ali ne na druge atome. Otkrio je neutrone u jezgri.
Razvojem kvantne mehanike došlo je do spoznaje da je nemoguće odrediti položaj i putanju e- u atomu, moguće je dokazati samo vjerojatnost nalaženja e- u nekom položaju.
16
Kemija u 24 lekcije
elektrnnski
omotač
Atom se sastoji od jezgre ili n ukleusa i elektronskog omotača. Jezgra je sastavljena od protona i neutrona koje nazivamo nukleonima, a elektronski omotač je prostor oko jezgre u kojem su elektroni. Promjer atomske jezgre iznosi oko I 0- 14 m, a elektronskog oblaka oko 10-10 m, tj. p romjer jezgre je 10 000 puta manji od promjera atoma. Slikovito to izgleda poput muhe u katedrali gdje muha predstavlja jezgru, a katedrala elektronski oblak. Veličinu atoma određuje veličina elektronskog oblaka, dok je masa atoma sadržana u njegovoj jezgri.
.I
ISubatomske česti ce Proton (p+) je čestica pozitivnog naboja, neutron (n) je neutralna česti ca, elektron (e-) je negativno nabijena čestica. Atomi su neutralne čestice jer je u svakom atomu broj protonajednak broju elektrona. Uz tri osnovne čestice (proton, neutron i elektron) postoji i pedesetak drugih nestabilnih čestica podijeljenih na: leptone, fotone, barione i mezone. Građa
atoma
jezgra atom
99,95 % mase (određuje masu atoma) 2r = 10-14 m
elektronski omotač masa zanemariva 2r = 10-10 rn
NUKLEONI: subatomske čestice
neutron (n) određuje
izotop
elementa naboj (Q) nabojni broj (Z) masa čestice (m)
proton (p+) određuj e
vrstu
atoma
- valentni - (kemijska svojstva) - unutarnji
bez naboja
+1,602 -10-19c
- 1,602.10-19c
o
l+
1-
1,675 -10- 27 kg
1,673 -10-21 kg
9,109-10- 31 kg
::::: jednake mase~ u otkriće
elektron (e-)
J. Chadwick
E. Rutherford
::::: 1836 puta manja od u J. J. Thomson
Kemija u 24 lekcije
17
2.Atom Različiti
atomi imaju razli čit broj subatomskih česti ca pa im odatle proizlaze i razlikemijska svojstva. Danas je poznato preko 100 različi tih atoma ( 115), a svak i ima svoj protonski broj Z. či ta
Protonski broj (atomski ili redni broj)Z određenje brojem protona u jezgri (odatle mu ime "protonski" broj). Zove se "atomski" jer je tipičan za atom nekog elementa (npr. Z = 8 imaj u uvijek atomi kisika), a zove se "redni" jer o dređ uje mjesto u periodnom sustavu gdje se nalazi, pa je atom kisika 8. po redu u PSE. Kako je atom neutralan, onda su mu broj pozitivnih protona N(p) i broj negativnih elektrona N (e) jednaki.
Nukleonski broj (mascni broj) A određen je zbrojem broja protona i neutrona u jezgri gdje se i nalazi sva masa atoma. U PSE se povrh simbola elementa nalazi napisan Ar (relativna atomska masa), a maseni broj A dobijemo tako da taj broj Ar zaokružimo na cijeli broj .
A= N(p+ )+N(n) Z=N(p+) = N(e- ) N(n ) =A-N (p) ili
N(n)=A - Z
-MM--Miio 8
8
8
16
8
16,00
19
19
19
39
20
39,10
17
17
17
35
18
35,45
Atom se od svog iona razlikuje po broju elektrona. Kationi imaju manje elektrona od odgovaraj ućeg atoma jer nastaju otpuštanjem elektrona (K+ ima jedan e- manje od K), a anioni imaju više e lektrona od odgovarajućeg atoma jer nastaj u primanjem elektrona (0 2- ima dva e- više od O).
--MNM--MM O
8
8
0 2-
8
K K~
8
16
8
8
16
8
19
19
39
20
19
19
39
20
,,
0 +2e- ~0 2 K~K+ +e-
Izotopi su atomi istog elementa koji u jezgri imaju raz ličit broj neutrona, ~j. imaju ranukleonski broj A, a isti protonski broj Z. Imaju jednaka kemijska svojstva (stoga
zličit
ih kemijskim metodama ne možemo razdvojiti), a različita fizikalna svojstva (razdvajamo ih centrifugiranjem, difuzijom, laserom ... ).
18
Kem11a u 24 lekcije
Elektronski omotač atoma
izotopi kisika:
Izotopi. vodika: procij ( običan vodik): \H - H ,
deutcrij (teški): ~H -
Đ,
tricij (superteški): ~H - T ,
--MMMN#&M-MiM 1
1
o
2
1
3
2
Nuklidi su vrsta atoma određenog sastava jezgre, lj . određenog Z i A. U prirodi ima samo 20 elemenata koji imaju jedan izotop, to su mononuklidni elementi (Al, Na, F, Be ... ). Elementi koji imaju veći broj izotopa su polinuklidni elementi. Kemijski element je skup svih atoma (nuklida) s istim protonskim brojem Z. Elementarna tvar je uzorak istovrsnih atoma u kojem se element jav~ja u prirodi. lzobari su atomi različitih elemenata (nuklidi) koji imaju isti nukleonski broj A; imaju različita kemijska svojstva jer su to različiti elementi. Npr. a) ';~Sn, '~~Te, 1;:xe; b) ;1Cr, 54Mn. Prema rastućem atomskom broju, atomi su poredani u periodni sustav elemenata (Z ima prednost pred Ar pa je tako npr. argon koji ima A,= 39,95 ispred kalija s A,.= 39,10).
IElektronski omotač atoma Prilikom prolaza kroz staklenu prizmu bijela se svjetlost rastavlja na niz boja koje nazivamo spektrom. O kontinuiranom spektru govorimo ako jedna boja prelazi u drugu npr. kod užarenih čvrstih tvari. Užarene pare i plinovi daju spektre s nekoliko linija točno određenih valnih duljina pa ih nazivamo diskontinuiranim spektrima, a karakte1istični su za tvar koja ih emitira. U konfarni.ranom spektru bijele svjetlosti (valna duljina u nanometrirna) vidljiva svjetlost je valne duljine od oko 400 (ljubičasta) do 700 (crvena) nm. Za razliku od kontinuiranog spektra, atomski spektri su linijski, "isprekidani" jer se u njima pojavljuju ili nedostaju samo neke valne duljine. Boje plamena (plamen boje kationi metala iz soli uneseni u vrlo topli plamen, a ne sami metali!): Ca2+- narančastocrveno cs+ - plavo Li+ - crveno Rb+ -crveno Ba2+ - zeleno Na+ - žuto Cu2~· - zeleno K+ - ljubi často sr2+- tamnocrveno Kvantnu teoriju o građi atoma postavio je Niels Bohr. On je pretpostavio da se elektroni u atomu gibaju po točno određenim energetskim razinama (ljuskama) a dok se gibaju po tim stacionarnim stanjima ne apsorbiraju niti emitiraju energiju. Svakom stacionarnom stanju je pridodan broj (n = 1, 2, ..., 7). Najnižu energiju ima stacionarno stanje n = 1. Stacionarna stanja nazivaju se i ljuskama, a osim brojem mogu se označivati i velikim
Kemija u 24 lekcije
19
..I 2.Atom tiskanim slovima. Dovođ'enjem energije atom prelazi u stanje više energije tzv. pobuđeno stanje u kojem elektron ostaje vrlo kratko (10"8 s), a zatim se vraća u stacionarno stanje. Pri povratku u stacionarno stanje elektron emitira ranije apsorbiranu energiju. Apsorpcija i emisija energije zbiva se samo pri prijelazu elektrona s jedne energetske razine na drugu. Začetnik kvantno mehaničkog pristupa tumačenja elektronskog rasporeda oko jezgre, L. V. de Broglie je pretpostavio da je elektron istodobno i čestica i val, tj. čestica u valnom gibanju, što je kasnije i eksperimentalno dokazano.
E. Scbrodinger je iz De Broglieve pretpostavke dao novi model atoma u kojem se može samo govoriti o vjerojah1osti nalaženja elektrona u određenom prostoru oko jezgre tzv. elektronskom oblaku. Gustoća elektronskog oblaka je različita (gdje je vjerojatnost nalaženja elektrona veća, oblak je gušći). Orbitala je matematička funkcija po kojoj se računa vjerojatnost nalaženja elektrona u atomu.
Bohrov model atoma - kvantna mehanik'h E = hc/ 1c,
E = hv;
/G=
34 (PlanckovaI'<;)"~"\ lćon. 'fanta, h = 6,626.1 (r Js)
elektron može primiti točno određeni iznos energije, umnožak Planckove konstante ( h = 6,626 · l0-34 .Ts) i frekvencije (često se označava malim grčkim slovom ni, v) M = hv = hciA(brzina svjetlosti c = 3x J0 8 m/s), to što prima energiju znači da je promjena energije pozitivna, pri čemu prelazi u putanju većeg polumjera tj. većeg n, a nakon toga (u kratkom vremenu) vraća se u putanju manjeg polumjera tj. manje energije, pri čemu otpušta (emitira) energiju. Promjena energije tada je negativna. Ta valna duljina pojavljuje se u emisijskom spektru atoma, odnosno u nekim slučajevima, može se i vidjeti da emitira svjetlost te boje (bojenje plamena kationima), a jednaka je odgovarajućoj valnoj duljini u apsorpcijskom spektru (jer su promjene energije jednake). 1. apsorpcijski i emisijski atomski spektri dobivaju se tako da se tvar prvo zagrije na vrlo visoku temperaturu pod niskim tlakom kako bi se atomizirala - rastavila na pojedinačne atome (i/ili ione) u plinovitom stanju. Atom ima energijske razine ili nivoe koji se nazivaju glavnim energijskim razinama ili ljuskama (označavaju se cijelim brojem). Postoji sedam ljusaka: I., 2., 3., 4., 5., 6., 7. ili K, L, M, N, O., P, Q). Lj uske = periode. Unutar jedne ljuske elektroni se raspoređuju u podij uske koje se označavaju slovima s, p, d,f Elektronska konfiguracija označava raspored elektrona po ljuskama i orbitalama. Podljuske prikazujemo orbitalama: jedna je s-orbitala, tri su p-orbitale, pet je t/-orbitala, sedam je.f-orbitala, a svaka prima točno određeni broj elektrona (maksimalan broj elektrona je: s = 2,p = 6, d = 10, f = 14).
D s
p
d
I I f
Kako za s-orbitalu, tako i za sve ostale orbitale vrijedi da njihov oblik označuje vizualizaciju gibanja elektrona, jer on daje mapu elektronske gustoće, odnosno raspodjelu vjerojatnosti nalaženja elektrona. S-orbitala ima sfernosimetrični oblik tj. vjerojatnost elektronske gustoće najveća je u prostom oblika kugle na nekoj udaljenosti od jezgre.
20
Kemija u 24 lekcije
Elektron u ls orbitalije bliži jezgri od elektrona u 2s orbitali pa irna i nižu energiju. Svaka p orbitala ima specifičnu orijentaciju u prostoru (x,y, z) neovisno o kvantnom broju i uvijek ih je 3 (po veličini, obliku i energiji su istovjetne). D -orbitala može imati 5 orijentacija u prostoru, sve su istovjetne s obzirom na iznos energije.
različitih
z.
y
prikaz p orbitale
spin elektrona
Orbitala može biti prazna, popunjena i polupopunjena, a može primiti najviše dva elektrona različitog spina. Paulijev princip
isključenja
Elektron osim mase i naboja ima još jedno elementarno svojstvo, a to je njegov spin. Kažemo da je to smjer vrtnje e- oko svoje osi. Elektroni koji zauzimaju istu orbitalu moraju imati suprotan spin (vrtnju). Najveći broj elektrona koji ljuska može sadržavati je 2n2, a svaka orbitala može sadržavati najviše 2 elektrona. Prikaz cijepanja ljusaka na podljuske:
s p d f ·------------- --- -- -- --- ---- -- ----------- -- --
E 7(Q) 6(P)
.?:t-
- -- '
_sc_o)_:{:' 4(N)
/'>
-- ~ -./
-
===~j_J__l_ _l_ l I I I I I• • • •
::P_[IIJ__ ___ _---
•~~;;::I::;:I:; -;-;:;,;~ -1-_I _I_ -I I·I·I·:_: _;_1_
--- ----------j
I I I I I
--o .-----------------------------------_l_~
' -- -------- [TI] 3(M) ,.......
-----o.------------- -- ----- -.----- ----·· ... -~ 2(L)
-------[TI]
- - - --·O·--- ----------. --.. --- . ---- --------- --~ _l (_K)__ __• _ _ _ -- ·~ . ___ __· - ___________________________ _- -~
Cijepanjem ljusaka može se dogoditi da energijski najniža podljuska više ljuske ima nižu energiju od najviše podljuske niže ljuske. Primjerice, 4. ljuska ima l6 orbitala u koKemija u 24 lekc1Je
2.Atom jima može biti 32 elektrona. Energija 4s podljuske je niža od energije 3d podljuske pa se zato ona popunjava prije nego 3d.
4{
::,
eo
11
4d
=4
;;;
"'....o
4p
Q.
4s shematski prikaz energijskih razina i orbitala četvrte ljuske
Hundovo pravilo. istovrsne orbitale popunjavaju se uvijek tako da najveći broj elektrona bude nesparen, jer je tada energija atoma najmanja, a atom najstabilniji. Broj elektrona s istim spinom je maksimalan unutar istovrsnih orbitala.
[[I [IJ
ne
[I] ITJ ~
da
Pravilo dijagonala - redoslijed popunjavanja orbitala:
Elektronska konfiguracija atoma ptikazuje rasporede- po ljuskama i orbitalama. Da bismo napisali ispravnu elektronsku konfiguraciju atoma, potrebno je držati se niza koji pokazuje porast energija atomskih orbitala s porastom n: ls<2s <2p<3s< 3p<4s<3d<4p <5s <4d<5p<6s<4f<5d<6p<7s
22
Kemija u 24 lekcije
El~ktronski omotač atoma Redoslijed popunjavanja orbitala ls 2 2s 2 2p ~3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4/
14
5d
10
6p 6 7s 2 5.f1 4
6d - broj elektrona u podljusci
broj ljuske -
i
podij uska Za litijev atom (ukupno 3e- od kojih su 2 u prvoj, a jedan u drugoj ljusci) i dušikov atom (ukupno 7e- od kojih su 2 u prvoj, a 5 u drugoj ljusci) konfigmacije su: N ls 2 2s 22p 3
Li ls 2 2s 1
2.m 1.
fill
Ca
ls 2
2s 2
2. [filillIJ[Đ
1.ffiJ 2p 6
3s 2
3p 4s 2 ili [Ar] 4s 2 6
Kondenzirana (skraćena) elektronska konfiguracija piše se s pomoću elektronske konfiguracije prethodnog plemenitog plina. Plemeniti plinovi imaju vrlo stabilne konfiguracije s se- u vanjskoj ljusci koje se nazivaj u oktetne konfiguracije (uz izuzetak helij a koji ima dubletnu konfiguraciju).
Odstupanja Svi prijelazni metali 4 . ljuske imaju općenitu elektronsku konfiguraciju [Ar] 4s23d", osim kroma koji ima [Ar ] 4s 13d5, i bakra, koji i.ma [Ar] 4s 13d10. lznimke su i Mo, Nb, Ru, Rh, Pd, Ag kod kojil1 s elektrnn prelazi u p orbit:alu. 24
Cr
predviđena konfiguracija:
4
l s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ~
(jedan e- iz s prelazi ud jer je to energetski povoljnije) Cr
24
ls 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 5
stvarna konfiguracija:
-, H 1.0.:!i
Li' ,,,.,,.. 11
Na
,.
hY.l
2
. Be
l M ~t
12
'!'lj
4 ! !,,,
21
y"
.....
..
~, '"'
" Ba Cs
" Hf
" Ra Fr 1m 1 ""
10<
S6
I )) "!
..
n; u
,,Cr. "Mn
,.
" AI ~;e,
•
C ! !.l.'11
14
Si
7
•
•
10
.•.•·,e
,,_ F Ne ..N o ~
15
p r :r,
.s
v=
17
" CI Ar ,~;.u
,.
t .•-:,<$
" Se Br Kr " /iCu'. Zn Ga Ge As " Co Ni Fe ,._ ,,.,, n •-:(1 v= =• .sw> " '" "'' " ... . . { •1~ ., ~~ , " " Cd ln Sn " Sb " Te "I Xe Pd Ag Zr l~!> Mo Te ,i:u,, un. .. ~'~ \ Rh
" Se Ti " Ca ..,:m ""~ ,,,,,,
" Sr Rb <1>,!e,..
· ~}:t.
' B
!•A'I IU
1~- ,. K
He
IM.<')
Rf i.~,,
23
V
~o.i
u
~.?)(.
43
-,. Ta ., Db ,. .%
""'
,;;..,,,
V
27
,., , , -- .. .. ,. .. TI.. " Os lr" Pt
w Re
1;m
lllJl
1to.1o:
\ 19;~
j
~~ '19
''"' ,o, V V ••• Sg Bh Hs Mt .... Os Rg '"" !,V.J1
107
""'
""'
l'IO.:J
109
(1'?11
11"1
U4.$1
.!'.I-:~
S4
32
, , ..n
$$
..-i
75
3l
,s
!!!.'I}•
52
1· =.n
, ..u =
" Bi Pb ,.,., "'"03
.. Po •!li-O,
i,:,,,,;
1:u ,,
1n-;,;
8S
••
At Rn :: ti a:· ;,
2.Atom Nekoliko je primjera neznatnog odstupanja kod pisanja elektronskih konfiguracija, a objašnjavamo ih na temelju postojanosti popunjenih, odnosno polupopunjenih podljusaka.
li~
Parcijalni orbitalni dijagram (prik:v:111c samo .a~. Jd i 4p 3d
4p
19
K
[O
I
I [ [Tl
(ls2 2s2 2p6 3s2 3p6]4s 1
[Ar] 4s 1
20
Ca
[.UJ
CCCCD C[ JJ
( ls 2 2s2 2p6 3s2 3p 6 ]4s 2
(Ar] 4s 2
21
Se
22
Ti
23
V
24
Cr
rn ITTi 11 L1W LLIJ (l s22s 2p 3s 3p J4s 3d
25
Mo
[Il]
26
Fe
[Ili
Co Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
I I
Kondc:,irnna clcktrnnska konfiguracija
Elektronska konfiguracija
illJ [TI I I LJ I ~ IJ I t I I [l I ITII [I] TI l I I ] I
I [ ls22s2 2p6 3s2 3p6]4s2 3d1 I [Js 2 2s2 2p6 3s231i ]4s2 3d2 I [ ls2 2s2 2p6 3s2 3p6]4s23d3
(Ar]4s23d 1
[Ar]4s2 3d2 [Ar]4s 2 3d3
5
[Ar]4.\' 13d5
DJII i Ii I i I I TTl [ ls 2 2s2 2p6 3s2 3p 6 14s2 3d5 lT!I TI i I TI TI [ IIJ (ls2 2.s·2 2p6 3s2 3p6J4s2 3d6
[Ar]4s 2 3a6
2
6
2
6
1
[ Ar]4s2 3d6
lllJ ITIIIlDJI[I] CC[J ( ls22Y2 2p6 3s2 3p6]4s 2 3d7 (Ar]4s23d7 ITIJ !HlfilHI i l1J O:=J::J [ls2 2s2 2p6 3s2 3p6]4s2 3d 8 [Ar)4s23d8 [I] [l!IU!i!IHIUJ I I I (ls22s2 2p6 3s2 3p6]4s 13d 10 [Ar14s 13d 10 ]I] [Illt!IU!i!lf!I l I ( ls 2 2s2 2p6 3s2 3p6]4s2 3d10 [ArJ 4s2 3d10 fill ,f!lt!!UlWfil Il l I [ls 2s22p 3s 3p ]4s 3d104p [Ar] 4s2 3d104p 1 lilJ llllt!IUIUIUI ! j j I ! [ls2 2s22p6 3s2 3p6]4s2 3d104p2 [Ar] 4s23d 104p 2 IIlJ !IllTilWi!!t!I [f JTIJ [J s2 2s 2p6 3s2 3p 6J4s 2 3d104p 3 [Ar] 4s23d 104p3 1 lfi.lllll!lfilfil [t!l tm ( ls2 2s2 2p6 3s23p6 ]4s2 3d104p 4 [Ar] 4s2 3d104p 4 ITJJ ffilt!li!lnJlll ITilllJIJ [ls22s2 2p6 3s2 3p6 }4s2 3d104p 5 [Ari 4s2 3d104p 5 filJ lt!IH!Ull!lffl [!Jll]IlJ [ls22s2 2p6 3s2 3p 6 ]4s2 3d1°4p 6 [Ar] 4s2 3d 104p6 2
6
2
6
2
1
2
Elektronska konfiguracija iona .
Većina
f
1
.1 ~
slični
atoma nemetala npr. O, S~ t l, ~r primaju e- da bi postali plemenitim plinovima, dok npr. atomi metala Na, Ca, Mg otpuštaju e- da bi postigli konfiguraciju 41.t )r ,_... plemenitog plina.
Kationi: Anioni:
24
Kem1Ja u 24 lekcije
Kationi imaju elektronsku konfiguraciju prethodnog, a anioni plina (prve četiri periode). Primjetice, Mg2+ = [Ne], ci- = [Ar].
sljedećeg
plemenitog
lzoelektronske čestice su čestice s istom elektronskom konfiguracijom, npr. ci- i Ar. Elektronske konfiguracije atoma argona i iona klora:
1,c1- : ls 2 2s 2 2p 6 3s2 3p 6 [Ar] Klor ima 17e-, a klorid-ion 1 više, dakle l 8e- , pa time postiže oktet u zadnjoj, trećoj ljusci i ima konfiguraciju kao argon. Valentni elektroni su elektroni zadnje ljuske, oni sudjeluju u stvaranju veza.
-----"'--"-~~~-::..~~~
2
Si
2
Is 2s 2p
6
3s 23p 2 ~
/"
bazni elektroni valentni elektroni Elektronska konfiguracija prijelaznih elemenata Prijelazni elementi: - (n-1) se popunjava nakon ns, a prije np. (I) !s
( !8)
(2)
( I,) (l4) ( 15) ( 16) ( 17)
1,
'
2s
(4) (5) (6)
(7) (R)
(Q) ( 10) ( li ) ( 12)
3:;
s,
. .
6,']:;
3D prijelazni elementi: 3
4
5
6
7
10
8
11
1.2
Se
~~~I\ Toni koji su postigli konfiguraciju pl. plina bez obzira na to što imaju isti broj elektrona i što su izoelektronske čestice, nemaju isti radijus (najveći je onaj koji je primio najviše elektrona) pa poredani po veličini počevši s najmanjim izgledaju: \J\še.,e_-
/vecl '- i.
Al3+ Mg2+ Na+ pozitivni ioni
Ne
r
0 2- N3-
negativni ioni
Najčešće je atom plemenitog plina izoelektronski s nekoliko iona. Obično su to ioni nastali iz atoma elemenata smještenih 3 mjesta prije i 3 mjesta poslije plemenitog plina.
Kemija u 24 lekcije
25
Prijelazn i metali grade više kationa. 4s e lektrnni se dodaju prije 3d elektrona, ali se zato p1ije i gube (pravilo jirst in - first out) jer su 3d elektroni stabilniji. Npr. V 4s 23d3 : v 2+ neće biti 4s 23d 1 već će biti V2+([Ar])3d 3. Magnetnim mjerenjem je moguće ustanoviti postojanje nesparenih elektrona. _Magnetno polje privlači atome s nesparenim e- . Ta se pojava naziva paramagnetizam. Srebro pokazuje paramagnetičnost (Ss 1 4d 10, nespareni elektron). Tvari koje imaju sparene elektrone ponašaju se drukčije, njih m.agnetno polje odbija. To su dijamagnetične tvari.
Cu([Ar) 4s 13d 10) - Cu\[Ar] 3d 10)+ eZn (lAr] 4s 23d 10 ) - Zn 2+([Ar] 3d 10) + 2eMjera kojom je neka stvar brojunesparenih elektrona.
privučena
od strane magnetskog polja proporcio11alna je
---
1s 2
2
6
Ne
h· 2s 2p
N:
Is 22s 22p 3
li]
2s
2p
illJ Li! Iurm
rrn rm
I 1 I r li I
[fil '[[ ].11·r IfiI] 4s
paramagnetičan
Fe3 ~
Fe: [Ar ] 4s 23d6 [Ar ]
dijamagnetičan
[Ar]
D In i I i ILIJ I [Ar]3d 4s
3d
re/r]
3d
ffild l I l IV 4s
5
j
[Ar] 4s
2
3 ~
•
Kationi p1ijelaznih elemenata: prvo odlaze 4s, a tek onda 3d elektroni. Npr. :
Fe = [Ar] 4s 2 3d6 Fe2+ = [Ar ) 3d6 Fe3+ = [Ar] 3d 5
26
Kemija u 24 lskcije
Fe3+ ioni su sta~ilniji .od ~e2+ iona jer su im u 3d orbiti ) svi e- s para.lel111m spmov11na.
2. lekcija: Zadatci
L
Napiši kondenzirane elektronske strukture metalnih iona i procijeni jesu li paramagnetični ili dijamagnetičn i : 2 3 ;1)_.tvfn/~;.._. b) ,Cr + ., J. A c) Hg +r.::- r21 .C·l'+3 ,g ,C:-..:iJ: ' l.JJ.,1 0:;> q I ~ 'I • . d +::, e l.emenata nap1s1 . punu I kon denz1ran . u e 1e ktrons kru k onpomoct1 peno nog sustava 2 . S '1.:, figuraciju, parcijalni orbitalni dijagram koji uključuje valentne elektrone i broj unutarnjih elektrona za kalij .
!jo§
V
.
•
Napiši punu konfiguraciJn :,b,-i2s'2'Cf~s'3'f:;(,lls.'-2.d1o~pG bS'\.3c.l'o5;J(;l;cll i 14 -4 0 a) molibdena b) olova. _ I '+ ·
·\s-7-d Z,P:W·6'f'~lt:?c'l:A
,_,,)w' S~:1 ~cf5
,
3. Izračumtj 1 elektronal ,o j i se kreće b'rzitiom 1,00 · 106 m/s (m(e) = 9,J J · 10--' 1 kg).
~
L
2
11b 2.0 0~.J
2..0
Br
·G 20 ~'5
Fe
2.G
2.G
'2G
G
~2
40
35
2.0
45
1RD 5"6
2)0
1Ci100
~2100
Lt01 1
18r3
b-S-,~
Brom
3;Br
Rubidij
,;Rb
--
Elektronska••;.:. . konfiguracija ~' '
~'"'!":,;_
+
~2..si.2-p;&z 3p5' ~
~
1
:_,;A.
~
-
Prikaž i elektronske konfiguracije i popuni tražene podatke:
.
Koliko valentnih e- ima atom 2
a) ls 2s
1
sljedeće
~
c) ls 22s 2 2 p 63s23p64s23d 104p4
elektronske konfiguracije: 2
2
b) ls 2s 2p
Qi
3
S
d) 1s 22s 22p63s 1
1
L_ Napiši konfiguracij e za Cr, Sb, Bi i Fe koristeći elektronske konfiguracije plemenitih plinova.
L
)
~d ~-
Jezgra nekog atoma ima 19 protona i 20 neutrona. Napiši: a) kemijski simbol elementa '!--,.. b) protonski broj elemenat~-'13 c) broje- u tom atomu. t\<:j
27
2: Atom
L
Dva atoma imaju nukleonski broj 127. Ali jedan ima 75, a drugi 74 neutrona. Je li riječ o izotoP,ima ili izobarama7 Ob~asni.
>.1 =~')..
\~ " ,
10. Natrijev kation i nitridm anion su:
~~ =~6 I -=2. =:::r 4 'Z-
a) čestice bez naboja
+\ '\--.\3 -
c) izobare ~
b) izotopi ~dl.
zoelektronske čestice.
~
Najudaljeniji od jezgre je elektron koji je smješten u: a) ls orbitali
b) 2s orbitali
c) 3s orbitali
@
orbitali.
12. Koji anion ima elektronsku konfiguraciju kriptona? a) Klorid
b) oksid
@
romid
d) nitrid.
13. O kojem se elementu govori?
l(.\.i:..~
1
a) Xje alkalijski element s najmanjim brojemprotona u jezgri. b) Z je element koji ima 7 valentnih elektrona, a u jezgri ima 18 ne~trona}~0 c) Y je zemnoalkalijski element koji će otpuštanjem dvaju valentnih elektrona postići konfiguraciju argona. ko...\o.6
r
14. Koja je elektronska konfiguracija dvovalentnog magnezijeva iona u osnovnome ~ ;)_.\stanju?
a)[Ar] 3s 2
b)[Ne ]3s 2
\j c)[Ar ]
@)NeJ.
15. Koliko elektrona pripada svim s-orbitalama neutralnog atoma željeza u osnovnome stanju? a) 2
c) 6
b) 4
16. Napiši elektronske konfiguracije za: a) Cr b) Cl
(])])
c) V.
Napiši koji su elektroni: UnutarnJi ili sržni elektroni
\'alentni elektroni
Elektroni vanjske ljuske
CI V 17. Napiši kojem elementu odgovaraju sljedeće tvrdnje: a) k je element 4. periode s popunjenom vanjskom ljuskom. b) "Fe. u osnovnom stanju ima elektronsku konfiguraciju [Ar] 4s 2 3d 6.
c) k_ u osnovnom stanju ima elektronsku konfiguraciju [Ne] 3s 2 3p 6 . d) ''J- daje 2+ ion čija je elektronska konfiguracija [Ar ] 3d3• e) 1lh,_ je element 4. periode koji daje 2+ ion s polupopunjenom d orbitalom.
28
Kemija u 24 lekcije
3. lekcija
3. Periodni sustav elemenata
IPeriodni sustav elemenata (PSE) Tijekom 18. i J 9. stoljeća javila se potreba za svrstavanjem poznatih elemenata prema njihovim zaj edničkim svojstvima. 1829. J. W. Dobereiner je objav io trijacle elemenata (skupine sličnih svojstava), npr. L i-Na-K; Ca-Sr-Ba; S-Se-Te.
1864..J. Newlands je tada poznatih 56 elemenata slož io u oktave (po osam elemenata, zakon oktava). Današ nji oblik tablice PSE dali su Meyer i .Mendel_jejev. Mendeljejev je ostav io prazna mjesta za e lemente koji su tek treba.li biti otkriveni, a točno je predvidio njihova svojstva. 7 je vodoravnih perioda i 18 okomitih skupina u koje su elementi svrstani prema protonskom broju Z. Uz simbol elementa nav edeni su protonski broj Z; re l.ati vna atomska masa A,., a često i elektronska konfiguracija valentne ljuske. U priloženoj tablici PSE, koja se koris ti na državnoj maturi, povrh simbola elementa napisan j e protonski br~j Z, a ispod simbola elementa napisana j e njegova relativna atomska masa A,.. rasmćem
Prva se period.a sastoji samo od dvaju elemenata (vodik i helij). Zove se vrlo kra.tka. Druga se sastoji od osam elemenata, a zove se kratka. Treća se sastoji također od osam elemenata i zove se kratka. Četvrta i peta se zovu duge, šesta je vrlo duga a sedma je nedovršena. Šestoj periodi pripadaju lantanoicli, a sedmoj aktinoidi. Svaka perioda završava plemenitim plinom.
Glavne skupine PSE su alkalijski metali (1. skupina), zemnoalkalijski metali (2. skupina), prijelazni elementi ili metali (3.-1 2 . skupine), borova skupina (13. skupina), ugljikova skupina (14. skupina), dušikova skupina (1 5. skupina), halkogeni elementi (16. skupina), ha logeni elementi (17. skupina) i plemeniti plinovi ( 18. skupina) . Jedna od najranijih pod.jela elemenata je ona na metale, nemetale i metaloicle (polumetale). PSE odražava građu atoma i njihove elektronske konfiguracije. Tako atomi svih kemijskih elemenata iste periode imaju jednak broj ljusaka.
O me,~U ElJ poh1tne1ali mi oein.e tali
1 1 1 1 1 11 11 1 F I 1 1 1 1 položaj metala, polumetala i nemetala u peri oduom sustavu elemenata
Iz tablice periodnog sustava elemenata vidi se da elementi iste skupine imaju jednaku elektronsku konfiguraciju posljednje Uuske što određ1tje s l ičnost svojstava tih elemenata. Redoslijed popunjavanja .ljusaka i podljusaka uvijek je moguće iščitati iz tablice periodnog sustava. E lementi se obi čn o dijele na s-blok ( 1.-2. skupina), p -blok (od 13.-18.
30
Kemija u 24 lekcije
Periodičnost fizikalnih
svojstava
skupine) ili d-blok elemenata (od 3 .-12. skupine) if'., bfok (lantanoidi -4f i aktinoidi -5/). Elemente s- ip-bloka nazivamo elementima glavnih skupina. E lementi koji popunjavaju d-podljus.ku nazivaj u se J>rijelaznim metalima. Čelvrta perioda ima osamnaest elemenata i završava s plemenitim plinom kliptonom (Z = 36). Peta perioda ima takocter osamnaest elemenata. U šestoj periodi nakon popunjavanja 6spodljuske (kod barijeva atoma) počinje popunjavanje 4f-podljuske, koja prima 14 elektrona, pa Sd-podljuska i na kraj u 6p. Zato šesta perioda ima 32 elementa, uz napomenu da svih četrnaest elemenata, od lantana (Z = 57) do lutecija (Z = 71), pripadaju skupini koja se naziva lantanoidima. Sedma perioda sadržava najviše umjetnim putem načinjenih radioaktivnih elemenata. Od torija (Z = 90) njih 14, koji popunjavaju 5fpodljusku, do lawrencija (Z= l 03) čini skupinu koja se naziva aktinoidima. Na kraju sedme ljuske bio bi 118. element, a imao bi popunjene 5/-, 6d-, 7s- i 7p -podljuske. Obično se lantanoidi i aktinoidi nalaze izdvojeni na dnu tablice periodnog sustava elemenata zbog uštede prostora, i jasnijeg pokazivanja njihovih sličnosti u kemijskim svojstvima. Svaka perioda završava plemenitim plinom tj. elementom kod kojeg su sve energijske podljuske potpuno popunjene ili zatvorene. Stoga je praktično pri pisanju elektronskih konfiguracija koristiti se tzv. krntkim ispisom u kojem prethodnu zatvorenu ijusku označujemo simbolom plernenitoga plina u ug.latoj zagradi i u nastavku pišemo konfiguraciju vanjske, tj. valentne ijuske.
I Periodičnost fizikalnih svojstava Periodni zakon ili zakon
pe1iodičnosti
kaže da ako kemijske elemente poredamo po
rasmćoj atomskoj masi (točnije rečeno, po rastućem protonskom broju) i krenemo promatrati fizička i kemijska svojstva elemenata, primijetit ćemo da se ona nakon nekog broja
elemenata počinju ponavljati.
Polumjer atoma ra[pml je polovica razmaka između je~gara susjednih atoma koji su ,u.&L-~ S '(\(\"\ \je_{, ~ C\·c;:·\ u dodiru, ali nisu ,povezani.
r \ Ci \ '=-
$D9e-ftje_
;2,e.::-,.
I . ~:
-"
,
:
t ·
, i
·
C}.
'ffiJ~~\l
; ; I 1 ()~ l @ - -----·- -ffi3-·--- - - ~
,
·;
'
i
, 0 · · Y:m,O f'(.tr'~S
U
\.J
\;~l ·
2r
\
~( ~ \
•\{:_~C.;,' \ · \\
(_
I '
~
C°), \
::..c
e -
?
-
arp \.'~ .-\' 0
'
Duž periode se polumjer atoma smanjuje (npr. AI ima manji radijus od Na), a poveća va se unutar skupine (npr. Kima veći radijus od Na). S porastom atomskog broja u periodi raste naboj jezgre, privlačna si.Ja između jezgre i valentnih elektrona postaje sve jača pa se polumjer smanjuje. U skupini s porastom broja ljusaka raste i polumjer atoma. Ioni imaju svoj ionski radijus (r;) koji je također periodično svojstvo. Kation q_gr_eđenqg met~la ima _ manji polumm od njegova atoma__.
Kemija u 24 lekcije
31
I
3. Periodni sustav elemenata
41::i"ilG·i.foi·.;M;;;;.i.,@• I
II
III
IV
~ V
VII
vm g
H
He
o
~
o
Li
Be
B
C
N
o
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
p
s
CI
Ar
K
Ca
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Rb
Sr
In
Sn
Sb
Te
Cs
Ba
TI
Pb
Bi
Po
g
-
VI
.,)
Xe
At
Rn
Elektronegativuost je mjera za silu kojom atom pri vlači zajednički elektronski par kovalentne veze. Elektronegativnost elemenata u PSE raste u periodi slijeva nadesno i odozdo prema gore u skupini. Elektronegativnost se broj čano izražava koefi cijentom elektronegativnosti, X· Najelektronegativniji je fluor (4,0), dok je najelektropozitivniji cezij (0,7). Veliku elektronegativnost imaju i kisik (3,5), dušik (3,0) i klor (3,0).
. . 4,oc=p~~:__;~::j~EiJ,~ '?~\O ~e.~ ~~
3,0
j
2,0
t====i~_:_.J---~~-f-~--t:.:::::1:Si~
9'.:.n.
C:
~
")l
. . .~..
1,0
0o
- -- -
\f\ ( l)
?..f\ ( 2)
ld/rnol
Energija ionizacije E; je energija potrebna da se neutralnom atomu ili ionu u plinovitom stanju izbije najslabije vezani elektron. To je prva E . . Da bi kation izgubio drugi elektron, potrebno je uložiti dodatnu energiju E 12• E; unutar iste periode raste slijeva
,,
32
Kemija u 24 lekcije
nadesno. Dok u skupini raste odozdo prema gore. Metali "žele" otpuštati elektron pa je njihova E; manja od E; nemetala (oni "žele" primati elektrone da postignu konfiguraciju plemenitog plina)
+e M+(gl - ~+(gl + e M (ri) -
~
(g)
I::!..100H 1 > O (E.l > O),
Energije ionizacije, poput radijusa atoma, ovise o naboju jezgre (protonskom broju) i elektronskoj konfiguraciji pojedinog atoma. Općenito se može reći da što je veći jezgrin naboj, ona jačom silom privlači elektrone, smanjuje se radijus atoma paje prirodno teže ukloniti elektron, odnosno energija ionizacije raste. To je trend koji se uočava kod energija ionizacije atoma unutar periode. U skupini elemenata energije ionizacije se smanjuju odozgo prema dolje, jer se vanjski elektroni zbog porasta radijusa nalaze dalje od jezgre pa je potrebna manja energija za njihovo otkidanje. Jedinica za E; je kJ/mol.
Smanjuje se redukcijska sposobnost dok raste oksidacijska. Mijenjaju se elementi od onih koji lako tvore+ katione (lijevo) do onih koji Jako tvore - anione (desno).
>
~ ~ ~ ~ ~ -a_fi_1n_i_ te_t _p ~ rem_a_e_l_ ek_1ro __Em _ ~~~ * .c........,~
I
energija ionizacije
~ - - -
o
:::;-i,
g
N
·a .s:,:
:~
...o
!;>j)
5
!
1
1>
š~
O,
2
·a:
u:; :si
Afinitet prema elektronu E a nekog elementa je energija koja se oslobodi kada neutralni atom ili anion u plinovitom stanju primi elektron: ~
/tno \
Ačg) + e - X- (g) x- (g)
+e -
2 x - (g)
l::!.H < O, t1lf
> o.
Nemetali imaju veći afinitet prema elektronu od metala stoga grade negativne ione jer primaju elektron, dok metali otpuštaju elektrone (imaju nizak afinitet prema elektro-
Kemija u 24 lekcije
33
3. Periodni sustav elemenata nu) i grade pozitivne ione. Za razliku od energija ionizacije koje uvijek treba uložiti da se ukloni dani elektron (endoterman proces), afiniteti prema elektronu mogu biti i egzotermni i endotermni procesi. Prvi afinitet prema elektronu uvijek je egzoterman proces, osim za zemnoalkalijske elemente i plemenite plinove, a to je u vezi s njihovim elektronskim konfiguracijama; kod zemnoalkalijski h elemenata to je popunjena s -podliuska, ns 2 , odnosno potpuno popunjena va.lentna ljuska u plemenitih plinova, ns 2np 6 . Drugi afiniteti prema elektronu uvijek su endotennni procesi jer za taj je proces potrebno uložiti energiju da bi se savladale odbojne sile koje djeluju između elektrona i negativnog iona. · Unutar periode s porastom protonskog broja, tj . slijeva nadesno, afiniteti prema elektronu rastu. Unutar skupine afinitet prema elektronu pada zbog valentne ljuske koja je na prosječno većoj udaljenosti od jezgre.
Ea se mijenja unutar PSE s lično kao i Ei; raste unutar periode, a unutar skupine pada. Glavni uzrok tomu je promjena efektivnog nab~ja jezgre. Jedinica za Ea jednaka je jedinici za E.I (k.T/mol).
ITališta i gustoća elementarnih tvari Među metalima najniža tališta imaju alkalijski metali, a najviša oni u sredini PSE. Tališta riletala ovise o njihovoj građi.
Gustoća (znak: p - grčki : ro) opisuje odnos mase i volumena neke tvaii ili tijela. Prosječna gustoća tijela računa se kao omjer njegove ukupne mase i njegovog ukupnog
volumena: m p= -
v·
Najmanju gustoću među metalima imaju alkalijski metali (Li, Na i K su manje guod vode), slijede zemnoalkalijski, a najveću ima iridij (Jr). U sredini PSE su teški metali velike gustoće (Fe, Hg, Cu). Gustoća nemetala je manja od gustoće metala.
stoće
Kemijska svojstva elemenata u PSE: Metali • reduciraju nemetale (osim plemenitih plinova)
• oksidiraju metale i manje elektronegativne nemetale
• tvore okside (oni s vodom daju hidrokside)
• tvore okside (oni s vodom daju kiseline)
0
34
• r eagiraju s 2, F 2, H2 i drugim nemetalima gradeći ionske spojeve
• reagiraju s 0 2, 1\, H2 i drngim nemetalima gradeći kovalentne spojeve
• tvore binarne metalne hidride
• tvore binarne hidride koji mogu biti kiseline
• s drugim metalima grade intennetalne ~ ojeve ili slitine
• s ...metalima naj češće grade ionske spojeve
• grade katione otpuštajući e-
• grade anioue primajući e-
Kemija u 24 lekcije
3. lekcija: Zadatci
Zadatci L
Dopuni tablicu podatcima koji nedostaju : Ime spo_ja
Formula spoja
Ukupan broj atoma u molekuli
kal ijev klorid
fa:i.o.~ l\_~~J:..~ 0 modra galica
roh11rlJ hJd1c~
L
'
"'
t~
Napiši znak za:
a) 10 atoma natrija AO"-
1
b) 5 atoma kisika
(1
c) 3 molekule amonijaka ~
1-.';J
5O
d) 2 formu lskcjedi nke natrijeva bromida.
21'lci:·Br
3. Što znač i :
d) 20 e)02f)2 0 2- ? 2 l \ \ t oL "t-, 9!:Ar t,> ,,,o'. ' \' •JtL O il'::.-1(:,'-i l C\;" ~ I ,·c, Upisivanjem matcmaiičk'ih znakova (<, > , = ) označi odnos broja e ektrona medu
a)O I
L
b) 20
I ., 1 Cin u)'Y1t0"' 11lu„ L.
,,
c) O2
\
I
·~1\ ;
·. ,.,, o ct!9[u, ,'. .J
I
1on1ma:
b) Na 1 ~
K"
c) Fe2 + 2_ 0 2-
d) c 1- _:_ Ca2+.
5. Na temelju fo nnule spoja navedi ime i obrnuto. Formula
Ime spo_ja
Na 2S03
rc,,~Ćja, 8\J n:t
FeC03 NH3
~tfl0<(1~!J.}r
cup
ru\ ,f\,r 010\J.s·~
Formula spoja
I me spoja
altiminijev oksid amonijev sulfat amonijcv karbonat
';;:co' SC>'\\(n~\ hr\
L
Dopuni i uravnoteži kemijske jednadžbe: a) N2 f>~
- 2N1-T3
b) Zn + 2HCI - · ~ + H2 d) H2S04+2 NaO.H -=-+ ~·~c'.:t+~
c) '.&Mg + o 2 - ~\..\qC)
.
I:_ Promatrajući PSE i~ edi nazive: a) I. skupine
.J.l rul, '10)L\ "((\ .
c) plemeni tog plina u 3. periodi
,,<'\0,1
1
b) 15. skupine c:\ 1 t · - , d) polumetala 14. skupine.
Kemija u 24 lekci1e
35
3:' Periodni sustav elemenata . . ·8. U PSE 16 je nemetala: - a) koje označavamo simbolom: ~.e,, Ne k'{' 1"/-."€...(Ky--., \C,lµ l Oi'F°, C \ 1 b) koji grade dvoatomne molekule: 1:-..\ , O ~ ' C\ :+-\, \ .\-\ ,~ c) koji je pri sobnoj temperaturi tekućina]?:,'{' d) koji grade četveroatomne molekule: 15i, e) koje koristimo za stanično disanje: _ ____,. 0'""-'2., ,,__ t) koji lako sublimiraju: l7
,k:r,
s ,'? \
,s~
L
Koji. od ovih atoma ima najmanji atomski polumjer? b) Na, Mg, AI,@=)
a@ ~
c) L1,
et§c1-
d)Na~
~
. 1 Na,~
\ig
1O. Koji atom ima najveći polumjer:--Br:,_o(se@e : ~N?
~ Koji od atoma ima najveću energiju ionizacije: Rb9@ t S? 12.
Prouči
tablicu i odgovori koji elementi: -
-
,-
-
,-
-
C
D
B
E
X
G
F
y .A.
I a) su alkalijskiC 1~ b) su prijelazni '"8 1t 1~ c) su nemetal i X 1\J, ,~ d) su metal i C:...1D 1S,t:,~
c) imaju konfiguraciju valentne ljuske 3s 23p 3 t) su halogeni '\ , i.; g) nastaju fotosintezom X.. h) su tekućine na sobnoj temperaturi? A
(;
1
~ Pridruži sliku polumjera atoma njegovom simbolu:
l . t, ~
Li
2. o~
Na
3 . •/
K
4. o - - Cs 14. U navedenim parovima podcrtaj atom koji ima veći polumjer: a@ li I-le
36
Kemija u 24 lekcije
b) Li
i@
c®
li I
fi'J ~ li Cu. \__
?3{
3. lekcija: Zadatci
1§.:. Najma.nju energiju ionizacije imaju: b) halogeni elementi
a) prijelazni metali c) ha.lkogeni elementi
@
taklijski metali
e) zemnoa.lkalijski metali. 16. U navedenim parovima podcrtaj atom koji ima manju energiju ionizacije:
a).»~C
c)N - As
b) Mg - A I
d) N - F
~!~_- CI
t) Cl -:1.:._
1L Koji od navedenih elemenata je najelektronegativnij i: ~
b) N
a) Br
___ d)-S?
18. Koje svojstvo se u periodnom sustavu smanjuje slijeva nadesno i povećava odozgo prema dolje: ~
b) elektronegati vnost
lumjer atoma
d) talište?
c) energija ionizacije ~
Koji od navedenih atoma ima najmanju prvu energiju ionizacij e:
c) Mg
a) Na
d) Ca?
20. Kojem od navedenih elemenata druge periode odgovara navedenih prvih šest energija ionizacije (u eV)?
E '2. 11
24
a) B
E.
•1
E. 's
E.
48
392
490
'6
d) O
c) N
b) C
e) F.
21. Koj im su redom atom.i P, S i As ispravno poredani prema rastućem polumjeru: a) P, S,As
b) As, S, P
@ ,P,As
d) P,As, S? '
22. Koji od navedenih atoma ima najveći atomski polumjer: a)Li
@
d)Br?
c)As
23. Koji je točni redoslijed kad se atomi Li, B e, B i Na poredaju po porastu atomskog polumjera počevši s najmanjim: a) Li, Be, B, Na
b) L i, Na, B, Be
-
Talište / "C
\ ' relištc / 'C
1539
3070
725
1640
- 220
- 188
-7
59
c) Na, Li, Be, B
~
, Be, Li, Na?
24. U tablici su navedena tališta i vrelišta nekih tvari:
o
Kakvo je pri sobnoj temperaturi agregacijsko stanje tvarima T3 i T4? Kemija u 24 lekcije
37
3. Periodni sustav elemenata 25. U tablici. su navedene sukcesivne energije ionizacije atoma nekih kemijskih elemenata. ; . '
1111==.
Energija ionizacije
=
. _·
.
- ·
3.
,.___-= 2. _
A
577
1816
2744
B
496
4562
6910
C
589
1145
4912
D
737
1450
7733
2
Odgovori na slj edeća pitanja: a) Od navedenih kemijskih elemenata čiji atomi najlakše postaju kationi nabojnog broja + J? Objasni svoj odgovor. b) Koja dva kemijska elementa pripadaju istoj skupini periodnog sustava elmenata? Po če mu to zaključuješ?
26. Poredaj po veličini sljed eće izoelektronske čestice: Ca 2·1 , Sc3+, s2- , c i-, K+, Ar. 27. Koje su od sljedećih a)
Mn
česti ca
izoelektrnnske s kriptonom?
@ r-
2
+
c) Zn2+
0~
2
-
28. Koji su od navedenih parova sastavljeni od izoelektronskih a)
o-17''1 F
+D K
2
b) Fe
c) s-OBr
čestica? 2
d) Mg
+[ZJ N3-
Za izoelektronske čestice stavi znak nejednakosti (>, <) kako bi označio razlike nji1 hovih veličina. 29. Koji se element ne može tivnosti?
naći
c) Ne
a) O
30. Koji od
sljedećih elemenata
a) dušik
38
u elementarnom stanju u prirodi zbog velike reak-
Kemija u 24 lekcije
e) Au
d) N
15. skupine ima najizraženiji metalni karakter')
b) fosfor
c) antimon
@
zmut
4. lekcija
4. Osnove kemijskog računa i stehiometrije
IKemijski račun Prilikom kemij skog
računanj a
treba poznavati sljedeće pojmove i njihove jedinice:
Fizikalna , eličina
Oznaka
.ledinka SI
množina tvari
n
mol
masa
m
kg
masa atoma
ma
kg
masa formulske jedinke ili molekule
mi
kg
molarna masa
M
g/mol
relativna molekulska masa
Mr
Avogadrova konstanta
NA
broj, brojnost
N
volumen
V
m3
standardni molarni volumen plina
Vm
Vm = 22,4 dm3/mol
N = 6 022 · 1023 mo1-1 A '
Velike i male brojeve koji se javljaju u računanj u prikazujemo u eksponencijalnom obliku.
I 000 000 = 106 dok je O, 000 00 l = 10-{j. Treba paziti također i na preračunavanj e j edinica: l kg = 1000 g, 1 L = lOOOml = 1 dm3 , l m2 =104 cm2 , lcm 2 = 10-4m 2 ,
I ml = 1 cm3 = 0,001 dm 3, 1 nm3=10-21 cm3
Ili
IIHI
1111
I
10-9 10-12 101
109 1012
deci
nano p iko deka
giga tera
10
d
C
m
da
Dogovorena veličina za uspoređivanje mase atoma i molekule je atomska jedinica mase (u ili m 11 ili Da - Dalton). To je 1/ 12 mase atoma ugljikova izotopa C-12. Dijeljenjem mase atoma s atomskom jedinicom mase dobijemo relativnu atomsku masu A, Dijeljenjem mase molekule s atomskom jedinicom mase dobijemo relativnu molekulsku masu Mr (koju možemo izračunati i zbrajanjem relativnih atomskih masa atoma u molekuli).
40
Kemija u 24 lekcije
Cc) =l, 66os.10-
Unillcira~a atomska jedinka mase, u ,
u= ~ ma 1
Relativna atomska masa,A,
A,.(X) = ma (X)
2
21
kg
u
ma - masa atoma
m1 (XY )=Mr(XY)·u
Relativna molekulska masa, 1lf„
m - masa molekule 1
1\l(XY)=M,. (XY)gmo1-1
Molarna masa, M
ili M(X ) = A,(X)gmol-1
Prema latinskoj riječi numerus (broj) veltko slovo N koristi se kao oznaka za broj ili brojnost jedinki. Jedinke su atomi, ioni, formulske jedinke, molekule. Određivanje njihova broja u nekom uzorku računa se prema formuli: . . m(uzorak) N(Jedmka)= (' . )'odnosnoN(XY) m Jedinka
m(XY) mf (XY) ·
Množina tvari nje fizikalna veličina kojom iskazujemo količinu tvari. Jedinica je mol. Mol je količina uzorka koji sadrži onoHko jedinki koliko ima atoma u 0,012 kg ugljika C-12.U0,012 kg C-12 ima Avogadrov broj jedinki koji iznosi 6,022 · l 023 . Množina tvari ima jedinicu mol, a brojnost i Avogadrov broj nemaju jedinicu pa je uvedena Avogadrova konstanta (L = N) . N A
= N(X) =6 022·1023 mol- 1 n(X) '
Avogadrov broj = Loschmidtov broj , L =NA = 6,022 -1023 mo1-1.
množimo
množimo
brojnost
množin-a
N(X)
11.(X):.
M(X )
dijelimo
masa m(X)
dijelimo
N(X) = n(X)NA
m(X) = n(X)M (X)
oj ;~ vo jo i....., O ;.:i = ~ m
G.l
volumen Vl(X)
Vl(X) = n(X) V,2 Kemija u 24 lekcije
41
4. Osnove kemijskog ra.čuna i stehiometrije Izražavanje množine tvari poznatim veličinama (uz pomoć mase, brojnosti ili volumena):
~
0
n=m = N M N.4
=v
_
V,~
Avogadrov zakon temelji se na pretpostavci da jednaki volumeni plinova sadrže jednake brojeve plinovitih čestica pri istom tlaku i temperat11ri, pa time i jednake množine plinova. Nakon otkrićaAvogadrova zakona bilo je jednostavno povezati volumen i množinu plina, tj. trebalo je odrediti volumen plina koji sadrži Avogadrov broj čestica - to j e volumenjednog mola plina, tj. molarni volumen V,,,. Pri istom tlaku i temperaturi molarni volumen je jednak za sve plinove, jedinica u SI sustavu je m:' moi- 1, ali se češće koristi dm 3 mol" 1. P1i standardnim uvjetima I mol plina zauzima volumen od 22,4dm3 . Taj volumen se zove standardni molarni volumen, VJU = 22 , 4 dm 3 mo1· 1
Standardni uvjeti su: t = O°C ip= I O1,3 kPa fp('\1\Qj i~ \3~\~® : l . )\)a(. \j v 0 (x) = n(X)V,~.
Maseni udio pojedinog elementa u spoju A2B, gdje je w - masa jednog sastoj ka u
w( A, A2B) =
ukupnoj masi smjese ili otopine, definiran je izrazom: Općenito:
2
w ( A,AXB ) =
42
Kemija u 24 lekcije
m(A)
m ( A B )'
x · A,. (A) (
M„ AXB
)'
4. lekcija: Zadatci izck.emijskog računa
L
Za ugljikov dioksid (C02 ) izračunaj : a) relativnu molekulsku masu b) molarnu masu c) masu jedne molekule.
L
Tzračunaj relativnu molekulsku masu kalcijeva fosfata.
3._ Izračunaj relativnu atomsku masu izotopa kalija 4°K ako je masa njegova atoma
o-24 g.
66,42 . 1
L
Koliko je puta masa atoma broma veća od mase atoma litija?
5~ Izračunaj masu jednog atoma kisika i odredi koliko je puta masa atoma kisika veća od mase atoma vodika.
L
Izračunaj
L
Tzračunaj množinu atoma željeza u 2,5 g željezova(Tll) sulfata.
masu 18 molekula sumporne kiseline.
8. _ Za uzorak amonijaka NH3 mase 0,5 g odredi: a) volumen pri s.u. b) brojnost molekula amonijaka c) brojnost atoma vodika.
L
Modra galica j e hidratna sol u kojoj je vezano 5 molekula vode pa joj je fommla C uS0 · 5Hp. U 50g te soli 4
i zračunaj:
a) množinu soli (n) b) broj fonnulskih_jedinki CuS04 (l{) c) broj molekula vode d) množinu i broj atoma vodika. 10. U uzorku dušika mase 5 g izračunaj: a) množinu molekula dušika b) broj molekula dušika c) volumen dušika pri s.u .
.1.t_ Odredi maseni udio željeza i kisika u željezovom(TII) oksidu. Tzračunaj masu kisika ako je masa željezova(lll) oksida 5 kg.
1b
Većina elemenata u prirodi je smjesa nuklida. Srebro ima dva izotopa:
maseni udio 51,83 % i
109Ag čiji
Ag čiji je j e maseni udio 48, 17 %. Relativna atomska masa
izotopa 107Agje 106,9051 dokje Ar izotopa omsku masu prosječnog atoma srebra.
107
Ag 108,9048. lzračunaj relativnu at-
109
Kemija u 24 iekcije
43
4: Qsnove kemijskog računa i stehiometrije
~
Izotop
~Jaseni udio
101Ag
51,83 %
106,9051
109Ag
48,17 %
108,9048
Analizom je utvrđeno da je krom smjesa 4 izotopa. Relativna atomska masa atoma kroma je 51,98. Izračunaj maseni udio izotopa 54Cr. Izračunaj masu prosječnog atoma kroma. Izotop
l\1aseni udio
s2cr
83,79 %
51,941
9,50%
52,941
4,35 %
49,946
?
53,939
socr
14. Odaberi
točan
a) 180,156g
odgovor relativne molekulske mase glukoze:
b) 180,156 moi- 1
c) 180,156 mol
d) 180,156.
15. Tzračunaj maseni udio vode u uzorku kristalne sode Na2C03 · 1OH20. 16. Koliki je broj atoma natrija u 100 g natrija? 17. Kolika se masa modre galice može dobiti iz 500 g elementarnog bakra? 18. Sljedeći prikaz predstavlja kemijsku reakciju između elemenata A (narančasto) i B (sivo). Koja od navedenih reakcija najtočnije predstavlja prikazanu reakciju?
' • a) 2A + 2B ~ A2 + B2 b) B2 + 2AB ~ 2B2 +A2
44
Kemija u 24 lekcije
• c) A 2 + B2 ~ 2AB
d) 4A 2 + 4B2 ~ 8AB
Empirijska i molekulska formula spoja
Skup simbola koji prikazuje sastav kemijskoga spoja, naziva se fonnulom kemijskoga spoja. Najmanji omjer broja atoma ili iona u nekome spoju naziva se empirijskom formulom , a može se odrediti samo eksperimentalno. Da bismo odredili empirijsku formulu spoja, eksperimentalno odredimo omjer masa elemenata (ili maseni udio pojedinog elementa u spoju), koji se zatim prevede u omjer broja jedinki.
.
N( X) :N(Y) =
w(x··· ) :-w(Y)
Ar (X) A,. (Y)
\
'
\
_ . NlX JJi 0J A,. (X)-M(x) ·,,(", : ·N·~ \ ,,-(v') · ,Y lq'\
-w·,y , V'·')
Maseni udio pojedinog elementa podijeli se s A r (Af, molarnom masom) tog eleme11ta. Ako dobijemo cijele brojeve, to je traženi omjer. Ako dobijemo decimalne brojeve, tada dijelimo s najmanjim dobivenim decimalnim brojem da bismo dobili cijeli broj.
Molekulska formula prikazuje stvarni broj atoma elemenata u mole.kuli ili formulskoj jedinki spoja. Ona može biti jednaka empirijskoj fonnuli, ali i ne mora. Molekulsku formulu spoja možemo odrediti iz njegove empirijske fonnule, samo trebamo poznavati njegovu relativnu molamu masu. (empirijska formula)_,= molekulska formula
x = broj empirijskih jedinki (cijeli broj), x dobijemo dijeljenjem M/spoja) i Er(empirijske formule).
Er = relativna masa empirijske jedinke. Omjerom relativne molekulske mase spoja M,. i relativne mase empirijske jedinke odredi se molekulska formula. Ako je taj omjer 1, empirijska formula ujedno je i molekulska formula spoja. U nekim jednake.
slučajevima
kao kod
Hp, NH3,
CH4 empirijska i molekulska fonuula su
Kemija u 24 lekcije
45
4: Osnove kemijskog računa i stehiometrije
4. lekcija
1 ! _ Čileanska salitra je umjetno gnojivo. Analizom je utvrdeno da je maseni udio dušika u njoj 0,1648, a kisika 0,5647 dok je ostatak do 100 % natrij. Odredi empirijsku formulu čileanske salitre. 2 . Odredi empirijsku fonnulu spoja koji se sastoji od 2,4 % vodika, 39 % sumpora i 58,6 % kisika.
L
Odredi empirijsku i molekulsku fomrnlu spoja ako je analizom nađeno da se sastoji od 92,26 % ugljika i 7,74 % vodika. Relativna molekulska masa spoja je 78,108. Treba pronaći relativnu masu spoja te empirijsku formulu.
L
Potpunim sagorijevanjem nekog ugljikovodika nastalo je 0) 12 dm3 C0 i 0,09 g 2 H20. Odredi empirijsku fommlu tog ugljikovodika.
L
Odredi empirijsku i molekulsku formulu ugljikovodika u kojem je maseni udio ugljika 85,7 %, a relativna molekulska masa spoja je 84.
~ Pronađi najjednostavniju formulu spoja koja sadrži 12,1
29,4 % kisika, a ostatak je voda.
46
Kemija u 24 lekcije
% natrija, 11 ,4 % bora,
Stehiometrija, keroisjkih reakcija
IStehiometrija kemijskih reakcija Stehiometrija kemijskih reakcija ili računanje na osnovu jednadžbe temelj i se na zakonu o očuvanju mase (Lavoisierov zakon). Ukupna masa reaktanata mora biti jednaka ukupnoj masi produkata, odnosno brojevi atoma pojedinog elementa lijevo i desno moraju biti jednaki. Reakcijom vodika i kisika nastaje voda što prikazujemo jednadžbom. Jednadžba daje i omjer broja jedinki u reakciji . 2H2 (g)+02(g) -
2H20 (I)
Kako je brojnost jedinki proporcionalna njihovoj množini, jednadžba nam daje uvid i u omjere njihovih množina pa v1ijedi:
U reakcijama među plinovima (npr. nastajanje amonijaka) množina jedinki ili njihova brojnost proporcionalna je volumenu plina pa slijedi: N 2 (g/ 3H2 (gl---,. 2NH3 (g)
N(N) :N(H2) : N(NI-I3) = n(N2) :n(H2) :n(NH3 )= V(N2): V(H2): V(NH 3)=1: 3: 2 Ako jednog reaktanta nema dovoljno, množine produkata će biti onolike koliko dopušta taj reaktant. Produkt će nastajati dok se taj reaktant ne potroši, pa ga zovemo mJerodavnim rektantom. Mjerodavni reaktant je onaj koji: proizvodi najmanju količinu produkta i potpuno se troši u reakciji. Kod određivanja mjerodavnog reaktanta uvijek treba promatrati stehiometriju jednadžbe kemijske reakcije jer mjerodavni reaktant nije uvijek onaj čija je 1ID1ožina manja od množine ostalih reaktanata. Za sigurno određivanje mjerodavnog reaktanta dobro je dobivene množine reaktanata podijeliti s njihovim koeficijentom u jednadžbi. Tako dobivena najmanja vrijednost predstavlja mjerodavni reaktant. Iskorištenje reakcije rije omjer mase (ili množine) produkta dobivenog reakcijom i teorijske mase koju predviđa stehiometrija reakcije. m (produkt, dobiveni) '11
m ( produkt, teoretski)
Kemija u 24 lekcije
47
M·osnove kemijskog računa j·stehiometrije
4. lekcija
L
Oorenjem pirita FeS 2 nastaju Fe2 0 3 i S02 . Kolika masa Fe20 3 nastaje potpunim izgaranjem 150 g pirita?
L
U reakciji magnezija i kisika nastaje magnezijev oksid. U reakciju je ušlo 6 g magnezija i 2 g kisika. Odredi mjerodavni reaktant, izračunaj množinu reaktanta u suvišku te odredi masu nastalog magnezijeva oksida.
L
Kolika je masa kalcijeva klorida potrebna da u reakciji sa srebrovim nitratom nastane l Og srebrova klorida?
~
Magnezijev nitrid nastaje reakcijom magnezija i dušika. Odredi volumen dušika potreban za nastajanje 50 g magnezijeva nitrida.
L
Uvođenjem
ugljikova dioksida u vapnenu vodu nastaje zamućenje od bijelog taloga
CaC03 . Za pripremu vapnene vode utrošeno je 50 g kalcijeva hidroksida. Odredi: a) volumen potrošenog ugljikova dioksida b) broj molekula co2.
L
Napišite .kemijsku reakciju prikazanu slikom! Sivi atomi su N atomi, a narančasti atomi su O atomi.
?..:._ Pri reakciji magnezija i sulfatne kiseline nastane 36 g magnezijeva sulfata. Kolike su mase kiseline i magnezija potrebne za reakciju?
L
Koliko je grama aluminija (Al) potrebno da u reakciji sa Si02 nastane 5 mola aluminijeva oksida (Alp 3 ) ako je iskoristivost 80 %?
L
U reakciji između dušika i vodika nastaje amonijak. Ako j e u reakcijsku smjesu stavljene 7 g dušika i 5 g vodika odredi koji je reaktant mjerodavan i napiši jednadžbu reakcije.
10. Žarenjem vapnenca nastaje kalcijev oksid, živo v apno i ugljikov dioksid. Izračunaj masu kalcijeva oksida i volumen ugljikova dioksida koji nastaju ako žariš 250 g vapnanca 95 %-tne čistoće.
48
Kemija u 24 lekcije
5. lekcija
5. Kemijske veze
IKemijska veza Kemijska veza je "sila" koja drži dva ili više atoma zajedno. Atomi mogu ostvariti svoju stabilnost na jedan od triju s ljedećih načina: 1) prihvaćanjemjednog ili više elektrona od drugog atoma 2) davanjem jednog ili više elektrona drugom atomu 3) dijeljenjem elektrona s drugim atomom. Zbog razl ičitih svojstava atoma koji se međusobno povezuju razlikujemo: kovalentnu, ionsku i metalnu vezu. Ionska veza je ona do koje dolazi medusobnim djelovanjem atoma metala i nemetala pri čemu se stvara ionska rešetka. Kovalentna veza nastaje spajanjem atoma nemetala pri čemu nastaju molekule. Metalna veza je veza između atoma metala. kovalentna veza
mctaln a veza
ionska veza
Br
V djela ! ~fektrona
IKovalentna veza Cilj stvaranja veza je sma~j~je_ ~gije stJ.fil.a...va, a kao 12osljedica_nastaje oktetna elektronska konfiguracija jer atomi međusobno povezani postižu stabill10st od 8 el. u valentnoj ljusci oktet (dublet koci vodika). G. N. Lewis je pretpostavio da je vezanje atoma u molekule posljedica težnje svakog atoma da postigne elektronsku konfiguraciju njemu najbližeg plemenitog plina (energijski povoljnije). Valentne elektrone (elektroni zadnje
50
Kemija u 24 lekcije
·H · Li ·Na
: He: •Be·
• I? . · ~· · N· · Q· . F:
·Mg·
,..µ ,
· K ·Ca ·
· ~i .
: Ne:
.·r. . ~ . ,g: : ~ r:
·As· ·$~· .~j-: ·Sn· ·Šh· ·Te· . y :
·Qa· ·Ge·
·Rb
· Sr · . Ip ·
·Cs
·Ba· · '{i · · Pb· · Bi·
· Fr
· Ra·
·Po·
: KI: :xe:
· At: :R.i1:
Lewisovi simboli s točkicama za elemente glavnih skupina
ljuske) je prikazao točkicama. Njegova teorija je poznata kao pravilo okteta, međutim ovim se pravilom ne mogu protumačiti: svojstvo paramagnetičnosti, duljina kovalentne veze, ni kutovi među vezama. Kovalentna veza je strogo usmjerena u prostoru. Prilikom stvaranja veze svaki atom daje po jedan elektron u zajednički elektronski par. Ravnopravnost podjele tog zajedničkog elektronskog, para ovisi o elektn~_negativnosti. kovalentna veza nastaje i:Zmeđu istovrsnih (H- H) ili raznovrsnih atoma (H-Cl). Elektronski parovi koji ne sudjeluju u vezi zovu se nepodijeljeni, slobodni ili nevezani elektronski parovi - oni se jače odbijaju od podijeljenih i odbijaju susjedne vezne parove pa utječu na valentni kut. Nastajanje kovalentne veze prikazuje se Lewisovim simbolima. Podijeljeni (vezni) par se prikazuje parom točkica ili valent~1om c1;6con1. , , • . ,.,.."•·· t 1·..... , n :i}r-., 1 '{f'.\.l_ '' I \.. -;:;.I' ·")-. \.Jr vezni ~ . ~ slobodni e.,,1:,\.·-~\.f .,,,, , ~\-\'t',r~1r,-\U . ~ - elektronski ili H'-- F:'- °''"':;,.-=w e Ic ktronski par ~ . ·· " ,_'~ parovi Valentni kut ovisi o broj u atoma u molekuli, broju podijeljeni~ i nepodijelje_nih~Jek_tronskih parova i veličini centralnog atoma. Valencija je određena brojem elektrona koje atom daje za stvaranje zajedničkih elektronskih parova. Ovisno o broju zajedničkih elektronskih parova koji povezuju atome, razlikujemo jednostruku (Cl , Br , F , Hp,HCI), dvostruku (0 2, C0 2) i trostruku (N2) kovalentnu vezu. 2
2
2
Kovalentna veza među istovrsnim atomima (H 2 , N2, 0 2, Cl 2 , F2 ... ) Nastajanje molekula klora: svaki atom (koji ima 7 valentnih e-) daje po jedan e- u elektronski par i na taj način postiže oktet.
zajednički
:t) · + ·t) :~ @§~
Cl - CI
Nastajanje molekule kisika: atomi dijele dva elektronska para pa je to dvostruka kovalentna veza.
:o ·+·o:~~ ~ ·o=o' ~ o ~ ••
•• ••
2
Međutim, molekula kisika ima paramagnetična svojstva što elektrone što ne prikazuje ovakvo tumačenje kovalentne veze.
znači
da ima nesparene
Nastajanje molekula dušika: atom dušika ima 5 valentnih e- (2s 22p 3) od kojih su dva u s orbitali spareni, a tri e- u p orbitali su nespareni i oni tvore tri elektronska para (trostrnka veza) pa na t~j način svaki atom dušika ostvaruje oktet. :~ · + · $: ~ ~ ~ N = N
Kovalentna veza
među
raznovrsnim atomima (HCI, H2 S, H20, CH 4 . .. )
Nastajanje molekule kJorovodika: H · + · Cl:
~
~ ~
~
H - C]:
~
HCJ
Kemija u 24 lekcije
51
5t Kemijske veze Nastajanje molekula sumporovodika:
..
~ SI
H
H
:~ · + · H + · H~~-Š :H
H
Nastajanje molekule vode: H · + · Q: ~
H· Nastajanje molekule metana:
H 4H · + · ~ · -t
~
•
-
I
H-
C-
H
~
I
CH4
H model molekule metana (CH4 )
Lewisova teorija može objasniti samo građu jednostavnijih molekula. Grad'u složenijih molekula objašnjavaju novije teorije kao što je npr. VSEPR-teorija.
VSEPR-teorija je teorija odbijanj~ elektronskih .R?J ova valentM ljuske_(engl. Valence Shell Electron Pair Repulsion). Osnovna ideja ovoga pristupa jest da je razmještaj atoma oko nekoga središnjeg atoma takav da su elektrostatska odbijanja elektronskih parova minimalizirana što zr@J;.i g_a'-~e nevezni (slobodnj)_i Y.e.zni (podij~j.~n_i)._eJektronski parovi u strukturi molekule nalaze što je moguće daljej~dni od drugj.11,J{~jjače_ se_o_db_i,wju dva nevezna, elektronska 12ara, zatim nevezni i ve'.M!.LP
107° ~H
kutovi između veza spojeva elemenata druge periode s vodikom
Odstupanje od pravila okteta Kada centralni atom nema oko sebe osam elektrona, govorimo o odstupanju od pravila okteta. Nepotpuni oktet pokazuju berilij i bor dok prošireni oktet susrećemo u spojevima elemenata 3 . i viših perioda jer oni imaju mogućnost popunjavanja d-orbitala. Fosfor gradi dva spoja s klorom i to PCl 3 i PC15 dok dušik gradi samo jedan NCl 3 . Konfiguracija fosfora je: P= 1s 2 2s 2 2p 6 3s221f
52
Kemija u 24 lekcije
l-
Vidimo da ima 5 valentnih elektrona u zadnjoj ljusci. Tri elektrona u 3p su nesparena i mogu vezati tri klora i odatle molekula PCl3 . Međutim, u trećoj ljusci postoji i 3d orbitala koja je prazna. Ako jedan e- iz 3s 2 prijeđe u 3d tada u 3s ostaje jedan i nastaje pet nesparenih e- u atomu tako da može vezati S Cl atoma i tvoriti PCL :)
~
3s
3p
3d
[ili li lt .i l
Cl
I
,,CI
C!-P·''
I "'ci
CI
Dušik je u drugoj periodi pa nema d orbi tale tako da ne može imati 5 nesparenih e- i ne gradi ovakav spoj. Molekulska CH4 H20 BF3 BeCl2 SF 6 formula 1 Ohlik r- ~~··· :-;.,': .:· ;;.,~ ......... _.;·,· ..,J:"'il··~~'t~ trigonska kutna trigonska (geometrija) '"·.~: tetraedar linearna planarna oktaedar piramida V-obJik bipiramida molekule :·.".:,JL Valentni kut 107° 104,5° 109,5° 180° 120° 90° i 120° 90° Bro.i nevezanih elektronskih o I 2 2 3 s 6 parova
l.
~J'
~
"'~'
~
. . . .• - , ' \
Dul.iina kovalentne veze je udaljenost između jezgara atoma veza~ih kovalentnom vezom. Duljina veze raste s 2orastom radijus~~ ~oma. Kovakntni polumjer atoma je polovica razmaka dvaju istovrsnih atoma vezanih kovalentnom vezom. Van der Waalsov polumjer j _~2olovina uda_ljenosti jezgara_dv3jll istovrsnih atoma koj i su u dodiru,
kovalentni polumjer
Van der Waalsov promjer
_Kovalent~a. v~~ j~ određena dajiinQ_mj_e~ergijom - veza je jača što je dulj ina veze krać~U.!1.~rgjja vez~ veća.. Energija potr ebna da se ~ mi.Jska veza atoma u plinovitom Kemija u 24 lekcije
53
~..........lš-·................................~::s-............,......-. ..;..lil.....• ...• ..111111111111111 5. Kemijske veze stanju raskine zove se energija veze (entalpija veze ili jačina veze). Razbijanje veze je ~~dotennn_iJ?.r~c~,. ~11~9i ~ je energija v~~e uvijek pozitivna: ~ - - - ··A - B (g)~ A (g)+ B (g)
LVi;ucanje veze =
EvA-a (uvijek> O)
oastajanje veze je egzotemmi proces, paje znak promjene e!J:!9-l2_ij_e.:._n~gativan: A (g)+ B (g) ~ A - B (g)
LVi ,: astaJ·an;e wic ~
= EvA- B ( uvijek
Svojstva kovalentnih spojeva
Nepolarne molekule s kovalentnom vezom .nisu topljive u vodi dok polarne jesu. Vode11e otOpine slabo provode StruJU:(uz iznimke)...:. Kovale1ltna veza je_ usmjerena ~1 proston~ i kruta. Među mole.kulama postoje privlačne sile: od vrlo slabih kad su molekule plinovi, do slabih kad su molekule tekućine. Čvrste tvari imaju niska taiišta (ispod300 °C) i vrelišta (ispod 500 °C). Tvari lako sublimiraju (I?, naftalen, led) a izuzetci su makromolekule.
'J>rrot.-\...~ P:5.Z:~a.
-
Polarnost kovalent"ne veze: ako su _<:1tomi
vezi iste elektron~gativnosti,_poqjel
je
t~
raVJlQ.IJW..!1)jl te_će
Polarnost molekule uzrokuju dva efekta:
r
.' f.,-,,-,
e:::A· \a · ,i.......
'
"--'
X 1) razlika u elektronegativnosti atoma u vezi
X 2) grada molekule.
8shematski prikaz dviju polarnih molekula
Dipolnost molekule je posljedica parcijalnog ionskog karaktera kovalentne veze. Svaka kovalentna veza među atomima različite elektronegativnosti je polarna, međutim, svaka molekula s polarnim kovalentnim vezama nije dipolna molekula, jer u simetrično izgrađenim molekulama dipolni moment je jednak nuli, molekula je nepolarna. Molekule CH 4, CCl~ 0 2 su nepolar~1e je~_im j~gjp9.h~ mome.nt JL = O: Molekula C02 je simetrična, dvije su po lame C =O veze jednake jakosti, a njihovi di poli djeluju u suprotnim smjerovima. i jedan drugog poništavaju . Molekula vode nije simetrična, dvije su polarne veze H- 0 koje su jednake jakosti ali ne djeluju u suprotnom smjeru pa se ne poništavaju nego pojačavaju polarnost molekule vode. Kod molekula V-oblika (voda), odnosno pod kutom, ili piramidalna oblika, ne dolazi do poništavanja dipola i molekule su polarnog karaktera. Kod linearnih, planarnih i tetraedarskih molekula s identičnim vezama dolazi do međusobna poništavanja dipola zbog simetrije. Ako, međutim, nisu sve
54
Kemija u 24 lekcije
~
~-
-
Kovalentna veza veze identične, molekula je polarna. Tako je molekula metana, CH4 ,nepolama, a bro_mofom_1a, C~Br,_p~~::naJ.~ o _su obje tetraedarskog objjka. N~11-Qla1J1e su i Y.eze.JJJ.eđ.u_ istovrsnim atomima,..npr. F- F. C- C te npr. P-H, Te-H. Prema rastućoj polarnosti su razvrstane slj edeće veze: S-H < N- H < C- 0 < C- F < F- H. Razlika u koeficijentima elektronegativnosti atoma u1noleh11i već~ od 1,2 određuje nastaj~~ je ionske veze:_ Suvremenija kvantno-mehanička teorija t_j. teorija valentne veze kaže da kovalentna veza nastaje preklapanjem orbitala valentnih elektrona. Ovisno o tome koje se atomske orbitale preklapaju,.n!Z.likltju se dvije v1:._~e k'!}~aJentnih veza:_a -ve~a (!!gma-veza) i 1t-veza (pi-veza). Veza koja nastaje preklapanjem atomskih orbi tala duž osi koja povezuje }ezgre atoma Žove se a-veza . ..;'Sve jednostruke. Y.e..z.e_s_u cr-vez..e..~Veza koja nastaje preklapanjem atomskih orbitala tako da se one preklapaju bočno, odnosno iznad i ispod osi koja povezuje jezgre atoma zove se n-veza. ~ truka veza se sastoji odjedne
cr- veza
Ugljik: Is 22s 22p 2
1t-vcza
vodik: Is L
Pojam hib,idizacije orbitala uveo je Linus Pauling prilikom objašnjenja strukture ~11olekule metana CH4 . H ibridizacijom orbitala se objašnjava struktura kompleksnih spoJeva. Elektronska konfiguracija ugljika je 1s 22s 2 2p-ff 2pYl i to se može prikazati:
C
i~ Is
2s
2p
X
2p
)'
2p
Z
U prvom koraku hibridizacije dolazi do p1ijelaza elektrona iz 2s u 2p orbitalu.
c· _ll _i__i__i__i_ ls
2s
Miješanjem 2s i 2p orbitala nastaju četiri hibridne sp 3 orbitale:
A ll i i A I A I c· ----------3 3 3 1s
sp
sp3
sp
sp
Kemija u 24 lekcije
55
5. Kemijske veze One se prekrivaju s ls orbitalama iz vodikovih atoma pa nastaje tetraedarska struktura (kut 109,5°). H
,'
H
,'
''
'!'
'
: (j ' \
:
\~
~ -:i·:d·······-': : ' cr
H
'
''
',,
c '
; (J
cr ' ',
•••
H
---,,, .• -::.·· 109° H
sp3 h ibridne orbitale u molekuli metana, četiri cr-veze sp2 hibridizacija opisuje dvostruku vezu. Miješanjem dvije 2p orbitale s jednom 2s orbitalom nastaju tri hibridne sp2 orbitale, koje leže u jednoj ravnini pod kutom od 120°. Dvije od njih se preklapaju s ls orbitalom vodika (četiri su vodika) i nastaju četiri sigma-veze. Preostale dvije sp 2 hibridne orbitale od obaju ugljikovih atoma čine primarnu cr-vezu. Time dolazi do tolikog približavanja ugljikovih atoma da se preklope i preostale dvije p orbitale (koje su okomite na ravninu :ip2 hibridnih orbitala) i nastane dodatna n-veza. Primarna cr-veza je jača od sekundarne n-veze, zbog čega molekula etena lako adira druge atome pucanjem n-veze.
c· _1L _ i_ _ i__i__i_ ls
sp 2
sp2
sp2
p
H
sp hibridizacija je prisutna kod alkina i tom hibridizacijom opis~jemo trostruku kovalentnu vezu. Jedna 2p orbitala se miješa s jednom 2s orbitalom dajući dvije hibridne sp-orbitale. Preostali p-elektroni daju dvije n-veze, pa nastaje trostruka veza. Nastale hibridne orbitale leže pod kutom 180°, pa je molekula linearna.
c· _1.:L _ l__i_ _ i_ _ i_ ls
56
sp
Kemija u 24 lekcije
sp
p
p
C 2H 2 etin,jedna cr- i dvije n-veze između C-atoma
sp hibridizacija sp 2 sp 3
2 energijski iste veze
->
hibridizacija
3 energijski iste veze
hibridizacija
4 energijski iste veze
-
sp 3d hibridizacija 3 2
sp d hibridizacija Vrsta veze
->
pravac trokut tetraedar
5 energijski istih veza ---+ trigonska bipiramida 6 energ~jski istih veza ---+ oktaedar Duljina veze I pm
Jakost veze I kJ /mol
143
346
122
602
113
835
IIonska veza Ionski spojevi su čvrste tvari kristalne prirode, dobro su toplj ivi u vodi kao polarnom otap~-:lonška veza nastaje spajanjem atoma metala s atomima nemetala. Meta l( i 11em~.:tal1 mogu međusobno reagirati jer metali svoje valentne e~ktrone lako otpuštajp (m~I_a ener gija ionizacije), a atomi nemetala ih rado Qrihvaćaju zbog svoga izrazitog_afiniteta prema elektronima. Otpuštanjem elektrona metalni atomi postaju pozitivni ioni ili kationi, a atomi nemetala koji primaju elektrone postaju negativni ioni ili anioni. Ionska veza 11.ije usmjeren.a_1Lpr.ostorn, što dovodi do stvaranja velikih agregata. E ner~ija ionske veze je energija koja se oslo~odi kada se atomi A i~ ~oje u fomrulsku jedinku A +B~. Ionski spojevi su stabilni te je potrebno uložiti veliku energiju da se čestice od kojih su izgrađeni rastave. ionski spojevi su trodimenzionalne slagaline koje se ponašaju kao čvrste kuglice, gdje se anioni nemetala gusto slažu a u praznine između njih ulaze manji metalni kationi. Te se slagaline nazivaju .,i~ ~e~.!.ll~:_Najmanju jedinku ionskog spoja ne zovemo molekula već formulska jedin~a, npr. NaCl = jedna formulskajedinka natrijeva klorida, Mgf, = jedna formulska jedinka magnezijeva fluori da. Koordinacijski broj je broj koji kaže koliko se iona suprolnog naboja nalazi oko prornatranog iona (npr. u NaCI koordinacijski broj N a+ je 6 jer seo k<) natrije va iona nalazi 6 iona klora, ali i koordinacijski broj ci- je također 6). Kemija u 24 lekcije
57
5. Kemijske veze Valencija elementa u ionskom sp
jača
Potpunim prijenosom elektrona s jednog atoma na drugi nastaju ioni. •101\st,( 'l;,Q' w-\~
- C ''\.'-":' , __,__ ->
'.I
·,
+
nemetal
metal
(~
kali on
V
ani on
Polumjer kationa uvijek je manji od polumjera njegova atoma. Radijus negativnog iona uvijek je već i od radijusa atoma iz kojeg je nastao jer se i zmeđu primljcnog elektrona i elektronskog oblaka dotičnog atoma javljaju odbojne sile paje posljedica njihovo medusobno udaljavanje, tj . porast radijusa aniona. lonski radijusi općenito padaju uzduž perioda i rastu u skupinama odozgo prema dolje. Atom može otpustiti elektrone samo onda kad postoje drugi atomi koji će te elektrone primiti. Procesi tijekom kojih dolazi do prijenosa elektrona p1ipadaju redukcijsko-oksidacijsk.im procesima ili redoks-procesima.
-
Oksidacija je reakcija otpuštanja elektrnna, tada na.staju kationi(+):
r(kation) < r (atom)
Redukcija je reakcija primanja elektrona, tada nastaju anioni(-): r(an ion) > r (atom) Primjer: Nastajanje natr(ieva klorida Atom natrija je otpustio, a atom klora primio elektron pri čemu nastaje sustav (natrijev klorid) s nižom energijom.
/ ·2
Na -+ Na++ e-
f
+
Cl + 2e- -+ 2C12
oksidacija
redukcija
2Na -+ 2Na + + 2e-
+
2Na + Cl2 - > 2Na f + 2CI- -+ 2NaCI
58
Kem11a u 24 lekcije
Ionska veza Struktura natrijeva klorida:
= c1@ =Na+
Nastanak ionske veze može se p1ikazati i Lewisovim simbolima.
Prim~
Na.stajanje magnezijeva oksida
.~
Mgt+~-g:
~
Mg2• + [:~:)2- ~ MgO
Kemijskim _jednadžbama zapisujemo:
Muo -
..
Me:~2+ + •2e202-
0 2 + 4e- 2Mg -
..
/ ·2
2Mg2+ + 4e-
+
O2 + 4e--2022Mg + 0 2
-
2Mg2 + + 202-
-
2Mg0
Svojstva ionskih spojeva Ionski spojevi imaju svojstvo slvaral!ia kr(s_~l}la, Jyfnogi spojevi sadrže poliatomne ione koji su sastavljeni od nekoliko različitih atoma;~ yoj
,~
,~?,
kat ion
Kemija u 24 lekcije
59
5. Kemijske veze
IMetalna veza To je veza između atoma metala. Svi metali su čvrs_re kristalne prirode osim žive. Metali su dob1i vodiči elektriciteta i topline što se može objasniti prisustvom lako eokretljivih tJ:.. del_2~alizirap.ih elektron~ ,U jednom modelu metalne veze privlačna sila među atomima metala uzrokovana je uzajamnim djelovanjem pozitivnih metalnih iona i zajedničkog elektronskog oblaka kojim su okruženi, tzv. more elektrona (gustoća mu je svugdje ista, metalna veza nije usmjerena u _prostorn).
0~00 -0 .
metalna veza
-0 -0 8 -~: :-0~0t0 --- - - -- - - - -
jezgre pozitivnih iona oblak valentnih elektrona
·
+_-
-
-
-
-
+
-
:
+-
+
-
-
- - - - - - -
0~0~8):)
Drugi model metalne veze naziva se teo_gja elektronskih yr:Rfi: U kristalnoj rešetki dolazi do preklapanja istovrsnih atomskih orbitala jer su atomi metala vrlo blizu jedan drugom. Iz njih nastaju molekulske orbitale. One se energetski razlikuju ali s porastom broja molekulskih orbitala razlike u energiji su sve manje i nastaje prividno neprekinuti niz energetskih razina koje se zovu elektronske vrpce ili zone:
r .1
1
a) valentna vrpca - elektronima popunjeni energijski nivoi b) vodljiva vrpca - prazni energijski nivoi. __
'-'
Energijski nivoi omogućuju elektronima da pod utjecajem vanjskog električnog polja preuzmu veći sadržaj energije i da putuju kroz kristal, pa metal provodi električnu strnju. U vodičima su valentna i vodljiva vrpca blizu (preklapaju se) tako da elektroni bez Z1!nreke nrelaze iz jedne u drugu. Poluvodiči imaju malu energijsku barijeru među elektronima_12.~punjene vaL~ntne i prazne vodljive VfECe, (Ge i Si - n-tipa ip-tipa). Električntt vodljivost poluvodiča može -~~ J)Obol)šati dod~vanjem nei iito~-~~Iio!afoifi~n.~iY__veli~ ~12ergjjsku ~arijern izm~~'!_'::_aientne i v~~ljive Y!P_Ce. O jakosti metalne veze ovise mnoga metalna svojstva. Što je metalna veza jača, to metal ima veću tvTdoću, više talište i vrelište. -E
-®<=] VODIČ
60
POLUVODIČ
---ITI}-<==J IZOLATOR
Kemija u 24 lekcije
- - - .
-
-
"'i....
;.:;..
Međumolekulsl
sile
Za razliku od ionskih i kovalentnih spojeva, metali provode toplinu i elektricitet jeduakoćobro i u krutom i tekućem stanju, dobri su voc!iči eiektnciteta iJQplme }erTrnaju
lako pokretne delokalizirane elelg:ro~ Metali najčešće kristaliziraju u gusto zbijenim slagalinama: kubičnim i heksagonskim. Gustoća, talište, vrelište, agregacijsko stanje i druga fizikalna svojstva metala odraz su jakosti metalne veze. !-,egure S.lJ čvrste otopjne nastale otapanjem jednog metala u taljevini drngog. Imaju niža tališta od tališta komponenata:amalgam, bronca, mjed,cforaluminl.], magnalij ... L.lJS.1-."J>.f:,. ':.~\ \ '1 \
sile
vodikova veza
Van der Waalsove sile
x o--- H6+ ...... yo- elektrostatske prirode - između dviju ili više dipolnih molekula u kojima je vodik vezan za jako elektronegativni atom ion-dipol
di pol-induciran i inducirani dipoldipol inducirani dipol
dipol- dipol
- uzrokuju različita agregacijska stanja tvari - hlapljivi spojevi
- visoka tališta i vrelišta - uzrokuje anomaliju vode
- viša W i t,
pr imjeri:
- grafit, 12
HF, NH3, R-OH, R-COOH, aminokiseline, u parovima baza A-T i G-C, DNA
Poredak po jakosti: kovalentna veza> vodikova veza > Van dcr Waalsova sila.
-
i"
-
-
Van der Waalsove sile Van der Waalsove sile su slabije od kovalentnih, a posljedica njihova djelovanja su agregacijska stanja tvari. Jakost Van der Waalsovih sila ovisi o:
različ ita
a) udaljenosti b)
i zmeđu čestica:
što je udaljenost veća, to su siJe slabije
vel i č ini molekula: veće molekule - jače sile, npr. jače su među molekulama broma nego među molekulama fluora. To se vrlo lijepo primjećuje na talištima i vrelištima
Kemija u 24 lekcije
61
5. Kemijske'veze molekula halogena. Kako molekula postaje veća iduć-i od fl uora prema jodu, imamo s lučaj da su elementarni fluor i kJor plinovi, da je brom tekućina, a da je jod čvrst, k.r.istalan. c) mogućnosti deformacije elektronskog oblaka. Oblici Van dcr Waalsovih sila, vrste privlačenja i n_jihov intenzitet (od najslabijih):
a) između nepolarnih molekula (Londonove sile) h) d ipol-induciran i dipol
c) ion-inducirani dipol d) dipol-dipol e) ion-dipol. Vao der Waalsove relativno slabe sile koje postoje _između 11e2olarn.ih molekula su Lonclonove ~ eq:_iiske sil~ On e su uvijek prisutne, a nastaju uslijed kretanja elektrona duž veze, p1i čemu će u nekom momentu jedna strana molekule imati veću gustoću elektrona od druge. Na taj način nastaje inducirani dipol. Iako općenito zamišljamo da su elektroni u atomu jednoliko raspodijeljeni oko jezgre, to očito nije istina za svaki trenutak. Atomi mogu razviti privremenu di polarnu raspodjelu naboja.
-
+
+
H-H
H-B
molekula A
mole.kuta B
Takav trenutačn i dipol (molekula A) može izazvati (inducirati) s li čan takav dipo l u susjednom atomu. To su slabe privlačne interakcije kratkog vijeka, ali kod velikih atoma ili molekula mogu biti od velikog značenja . Pri nižim temperaturama g ibanje atoma ili molekula dovoljno je usporeno da slabe Londonove siJe plinove konde11ziraju u tek ući ne, a tekućine u kruti ne. To objašnjava izuzetno niska tališta i vrelišta plemenitih plinova.
Vodikova veza Stalan dipol imaju polarne molekule, privlačne sile postoje medu suprotno nabijenim krajevima dipolnih molekula. Najjače međumolekulsko privlačenje je m eđu dipolnim molekulama u kojima je atom vodika vezan na jako elektronegativne atome (F, O, N). Te se interakcije nazivaju vodikovim vezama. _Vodikova veza je slabija od kovalcntne veze, ali jača od Van der Waalsovih_sila, Spojevi s vodikovim vezama imaju vi.še točke vrelišl'a od onih koje ne grade vodikove veze. Ta veza ima iznimno značenje u vodi, tekućini o kojoj ovisi život na Zemlji. Vodikova veza među molekulama vode: H ,y
\ 0 1111111111-1 - 0I J o58 H S+
62
Kem;Ja u 24 lekcije
t·H,+
Međumolekulske privlačne
sile
Gustoća tva1i pri prijelazu u čvrsto agregacijsko stanje se povećava. Mectutim, v oda je jedina tekućina č ija gustoća nije najveća pri temperaturi taljenja. Ta se pojava naziva anomalija vode. Gustoća vode naj veća je pri 4 °C.
U strukturi leda svaki je atom kisika okružen s 4 atoma vodika, i to s 2 vodika vezan je kovalentnim vezama, a s druga 2 vodikovim vezama. Dovoctenjem topline postupno pucaju vodikove veze, molekule vode napuštaju strukturu, mogu se gušće pakira-rr:-§Qgj ~y i u čijoj strukturi postoji vodikova veza ima.ju viša vrelišta i tališta. Svi bidridi elemenata 17. skupine su polarne molekule čija se polarnost smanjuje niz skupinu, pa je najviše vrelište HF jer je i najpolarnija molekula. Elektronegativnost vodika je 2,1 a fluora4 ,0, njihova razlika je najveća i iznosi 1,9. Pogledamo li vrelišta hidrida 15. skupine, vidimo da amonijak ima najmanju M, pa su Van der Waalsove sile najslabije izražene te bi trebao imati najniže vrelište. Relativno visoko vrelište je uzrokovano postojanjem vodikove veze. U ostalim hidridima s porastom M, i Van der Waalsovih privlačnih sila rastu vrelišta. Vrelišta hichida 15. skupiJ1e:
j
',\-A\::.
amonijak
- 33°C
fosforovodik
-ss·c ,.°f"\.....
arsenovodik
- 55'C -~~\\')...J - 17°C
~ :,_
Voclik~ va veza~ javlja i _među različitim molekulama, nprjzm~u N_H3_iH~_čjme ~9bJa_!njava topljivost amonijaka u vodi, Jakost vodikove veze: F- H-·-:F (155 kJ/mol) 0 - H---:N (29 kJ/mol) 0-B---:O (21 kJ/mol) N-H··-:N (13 kJ/mol) N- I-1-··:0 (8 kJ/mol) Postojanje vodikove veze omogućav_a J~9stojanje tr2dimen~ior1alne s~r!J.15:ture p.r.Q!<:;.ina i l2_
Kemija u 24 lekcije
63
•• ,
s:Kemijske veze 5. lekcija
L
U zatvorenoj tikvici na sobnoj temperaturi nalaze se voda, amonijak, ulje i dušik. Koliki je broja faza, a koliki sastojaka u ravnoteži?
b_ U tvari gdje među molekulama djeluju samo disperzijske sile, molekula: @
b) ima manju masu c) ima jači pem1anentn.i dipolni moment d) ima veći naboj kše polarizira
e) ima sve navedeno.
--
~
Koja je najsnažnija međumolekulska sila koja djeluje u metanolu, CH OH, ion- ion3 ska, dipol-dipolna, vodikova veza ili Londonova?
L
Koja je najsnažnija međumolekulska sila u PH3 : a) vodikova veza
b) ion-ionska
( 3 J lipol- dipolna ~
c) Londonova disperzijska
e) kovalentna?
Koja vrsta privlačnih sila djeluje između molekula slje~ćih tvari: a) PCI 3d..itol-d.h:,,,1 b) NiCl 2 i
·, 0 ~ -
,o~tc.u---
c) 1 cl.,,v&:>-ro\le. 2
d) HF 1-=.J./'.,v::.'13 W'<,
~ g) ~P04 h) BF/ L1t~f\:l-ve._ ' tvan· prema~F\~?'.Jđ '\J~ leku-::ils~k'hv ·· v·1 do naJs '$il)e ... h: _6 ._ PoredaJ· s1·Jedece Jakost, me · umo 1 s1· 1a o d naJJac11 ab1J1 Cl2, CH4, BF3' SC12 i co2' c) HCl ~'r"~
t) CI-Ip .
.
L_ Koristeći se tablicom s koeficijentima elektrnnegativnosti, poredaj sljedeće veze prema rastućoj polamosti: H-H, 0-H, C!- H, S- Hi F-H.
L
Uz pomoć periodnog sustava usporedi i poredaj veze po opadanju duljine veze i veze u svakom od zadanih serija:
jačine
a) S-F, S-Br, S-CI ~
b) C=O, C-0, 0=0.
Kovalentnom vezom će se povezati: a) dva atoma dušika c) atom ugljika i atom klora C"\ ) Je navedeno tocno.
(~0J'e
o
b) atom dušika i atom ugljika d) atom vodika i atom broma
V
1O. U kojem su nizu svi navedeni spojevi kovalentni? C?fS2, H20 , C02, NH3, CHCl3
b) CS2 , I-Ip, Na2 0, NH3 , CC14
c) CS2 , Hp2 , CO, PH 3, CaO
ci) CS 2 , Hp, MgC12 , CC14 , SCl2
e) CS2, HP2, co2' PH3' K02
.11:.. U kojoj su od navedenih molekul! ~mi povezani trostrukom kovalentnom vezom? a) 0 2
64
Kemija u 24 lekcije
b) 0 3
~
2
d) Cl2
e) H 2
12. Koliko atom dušika ima nepodijeljenih elektronskih parova u molekuli NC13?
@
b) 2
c)3
d)4
e)5
13. Voda je najpoznatiji i najvažniji spoj. Objasni neke karakteristike vode. a) Što predstavljaju oznake c'/ i o-{ ~rc.qc;J. 0, "1cttl~~l
b) Je li molekula vode polarna? :!:A G <.J c) Je li veza 0 - H polarna? DA. d) Navedite nazivom i Lewisovim simbolima jednu molekulu čija je veza između atoma polarna, ali sama molekula nije polarna. Obrazložite. C. (_\ 4
14. Koji će od navedenih plinova imati najviše vrelište: CI-14 , N02 ili SO/ ~
Koja je tvrdnja točna? a) Energetska barijera metala je veća što je promjer atoma veći. b) Metalni elektroni nikada ne popunjavaju p -orbitale posljednje. 9)__Elektroni i šupljine karakteristični su za vodljivost metala. ((!J.J;lektrična vodljivost poluvodiča može se povećati doda:vanjem nečistoća. e) Staklo je dobar vodič električne struje, a guma je dobar izolator. f) Legure su smjese metala i nemetala različitih svojstava.
16. Prema vrsti kemijske veze razvrstaj spojeve na: a) ionske b) kovalentne
, •, r
c) ionske i kovalentne.
Spojevi su: KCI, I-ll0 4 , ttp 2 , AIP0 4, CaS04 , BeC12 , A IC1 3, Si02 , KCI0 3 , BCly Fep3 , MgC0 3, NH4Cl, CaH2, NaF0 3.
17. Izvedi formule spojeva koje grade parovi elemenata: a) litij i kisik b) stroncij i sumpor d) fl uor i magnezij. c) cezij i brom Nastajanje spoja pod d) prikaži Lewisovim oznakama i jednadžbom. 18. Prikaži formulom hidride sljedećih elemenata: natrija sumpora
litija klora
arsena kalcija
Kojom su vrstom kemijske veze navedeni atomi povezani s vodikom?
19. Koja od navedenih čestica ima najmanji polumjer: a)X
b)
x2+
20. Napiši znak za: a) hidridni ion \-\ d) sulfidni ion c?O -
@ 4+
b) željezo(Jl) ion e) nitridni ion
v
!4.:: -
1 -
c) bakrov(l) ion (,0 tf) kromov(lll) ion.
e <' ;, 'r
21. Koja čestica u svakom paru ima veći polumjer? a) Na ili Na+
b) p 3- ili
s2-
c) Al3 + ili Mg2+ d) BC ili 1-
e) Ca.2+ ili_Se2- _
Kemija u 24 lekcije
65
5. Kemijske veze
22. Odaberi točan odgovor. Vodikova veza je: a) veza između vodikovih atoma b) slaba međumolekulska veza c) slaba kovalentna veza Đka međ't1111olekulska veza. 23. Prikaži Lewisovim simbolima molekule: a) sumporne kiseline b) fosforne kiseline. 24. Prikaž i vodikovu vezu između dviju molekula metanola i dviju molekula amonijaka. 25. Prikaži Lewisovim simbolima oksidacije: a) natrij a b) a Iu rninij a
c) kalcija.
26. Objasni zašto je vrelište dušika niže (- 196 °C) od vrelišta CO (ugljikova(TT) oksida) (-91 ,5 °C). 27. Koje međumoleku lske si le drže na okupu molekule alkohola etanola, CH CH 0 H? 3
2
28. Poredaj hidride 16. skupine prema pad~jućoj vrijednosti temperature vrelišta. 29. Pored~j sljedeće ionske spojeve prema rastućoj temperaturi tališta: KCl, MgO, NaCI.
66
Kemija u 24 lel(cije
6. lekcija
6i Kristalni sustavi
I
Kristali
Za razliku od tekućina i plinova, čestice krutih tvari imaju pravilan raspored i ne gibaj u se slobodno. Čvrste tvari dijelimo u dvije skupine: kristale i amorfne tvari. Amorfne tvari su čvrste tvari kojima nije svoj_s_~Qraviln~ U!Jl_llrašnj~ građa (ma0slac, guma, staklo, vosak, bakelit~ stiroQQI, P~C._p1ek..s.igla_s). .Kristalne su t\/.~ri čvrst~ tvari čiji atomi, ioni ili molekule čine visoko uređen sustav što se odražava na njihov vanjski oblik pa se kristali razvijaju kao poliedri, odnosno geometrijsk~ tijela s ravni1~ · plohama, bridovima i vrhovima. Postoji više različitih vrsta kristalnih tvari : a) ionski kristali (natrijev klorid) b) molekulski kristali (saharoza) c) atomski kristali (grafit, dijamant) d) kristali metala.
Simet1:ija je jedno od osnovnih svojstav~_!<_rJJ~J~: Jednostavni elementi simetrije su:
>
ravnina simetrije - zamišljena ravnina kroz središte kristala koja ga dijeli na dva simetrična dijela
>
os simetrije - pravac kroz središte oko kojeg se kristal može vrtjeti i vratiti u početni položaj
>
centar simetrije - zamišljena točka u centru kristala koja dijeli napola spojnice svih nasuprotnih istovrsnih geometrijskih elemenata.
U kristalnoj strukturi tvari može se uoči!i..']Jj_!!lanji dio koji se _periodički ponavlja duž osi, a zove se elementarna Qedinična) ćelija kristalne rešetke. ~izanjem elementarnih ćelija u prostoru nastaje kristal. Jedinična ćelija definirana je parametrima: jedinična ćelija
3D uzorak
> bridovima koji se označavaju a, b, c
>
kutovima između bridova koji se označuju a., ~, y.
Jedinična ili elementarna ćelija je najmanja strukturna jedinica s pomoću koje se može izgraditi čitava kristalna rešetka. Sedam je kristalnih sustava, a 14 vrsta j ediničnih ćelija. Kristalni sustavi su: kubični, tetragonski, heksagonski, trigonski, rompski, monoklinski i triklinski.
U kubičnome kristalnom sustavu postoje tri vrste jediničnih ćelija kristalne rešetke: a) jednostavna elementarna ćelija (slagalina)
68
Kemija u 24 lekcije
------ ----
-_- - - - - - -
b) volu1m10 centrirana kubična (polumjer atoma r = D /4, koordinacijski broj je 8) c) plošno centrirana kubična (r = d/2, koordinacijski broj je 12). a a -·
Vrsta elementarne ćelije kubič nog sustava
-
Izgled ćelije
Jednostavna (primitivna) kubična slaga-
•
N -bruj atoma u elementarnoj ćeliji
N = 8·1/8
a=2r
N=l
D =af5
N = 8·J/8+1
lina (ćelija)
Volumno (prostorno) centri-
J)
rana kubična
=
N =2
4r
•
,,
Mn,Ga, U, Po
Li, Na,K, Rb,Cs,
Ba, Fe, Cr
ćelija
=afi.
N = 8 ·l/8+ 6· 1/2 Ca, Sr, Ni, N= Pd, Pt, Cu, 4 Ag,Au, --r = afi/ 4 Al,Pb
d
Plošno centrirana kubična
d. =4r-~
ćelija
l nm3 =10-21cm3
V =a3
m(X)=n ·A,. ·u
. 1·· c ecn. ce tJe) =
m( I
1pm = 10- 12 m
p.V
lpm3 :, 1o - 36 m3
, masa gustoca= - - volumen Masu tvari nađemo množenjem broja atoma koji pripadaju elementarnoj ćelij i (N) s relativnom atomskom masom metala.(A) i atomskom jroinf om mase (u):
\ m = N·A,. ·u = N·m0 Kako se radi o kocki, volumen je V= a
3
.
I
.
Kemija u 24 lekcije
69
,
6. Kristalni sustavi Metal LkQjjimaiu gustoć i veću os!.J.gLcr!_13 su t~~i, a i~..e.9d 5g/crn3 su laki metali. ..Me.talL.kr:istaJizi.mju u kubičnom i heksagonskom kristalnom sustavu. Kristalna struktura
Jednostavna kubična slagalina
PJošno centrirana kubična ćelija
Koordinacijski
Broj atoma u
Zauzetost
broj
jedinično.i ćeliji
pro~-tora
r 1 l
52%
2
68 %
12
4
74%
12
2
74%
~
Fizikalna svojstva kristala ovise o načinu slaganja atoma, molekula ili iona u kristalu, o prirodi kemijske veze i o silama koje se javljaju unutar k1istala.
IIonski kristali
-
Ionski kristali su kristali u kojima su građevni elementi ioni. Ioni su električki nabijeni atomi, kationi (+)Tanioni C -YElektrostatske sile između ionašu:/ake, paje J,JOti-ebna velika energija aa se takva]msiahu1sfoil<1~~ajiizori ~Zbog toga spo]evi s ionskom građom imaju visoka tališta-i vrelišta . Tonski spojevi krista!Jziraju U gustui1 s lagafinama. - - - · Koliko će se kationa nalaziti oko aniona i obrnuto ovisi o veličini kationa i aniona. Npr. u kristalu NaCl građevna jedinica su Na+ i c i- ioni, katio1~ natrija je puno manJi od k101id-iona paje razmještaj iona takav da nastaju plošno centrirane kubične rešetke, istovrsni ioni Sli na vrhovima i u sredini ploha.
@ Na• -ion
O CJ- -ioo
Svaki Na+ j e okružen sa 6 ci- iona tj. svaki ci- ion je okružen sa 6 Na+ iona, dakle, koordinacijski broj (broj iona suprotnog naboja koji se u ionskom kristalu nalaze oko središnjeg iona) Na+ i cr u kristalu NaCl je 6. Ovakvu kristalnu strukturn nalazimo i u drugim ionskim spojevima kao što su: kalijev klorid, rubidijev klo1id, kalijev bromid, magnezijev oksid, kalcijev oksid, srebrov klorid. Ioni su u kristalima "nepokretni" (mogu samo titrati), dovođenjem energije (t921in<:.) knstafišerasr.are iutalii1is e· i·onCkrecli -i.1- sv fo1smjerovi1na„te_irovode e lektričnu struju, liT
se,
Otapanjem nalTijeva klo1ida u vodi ili njegovim talje,tjem razara se njegova kristalna strnktura i nastaju ioni te otopina ili talina vode e lektričnu struju, dok suhi kristal nije vodič . · ~ --~--. - -
70
-
Kemija u 24 lekcije
-------- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
-
--
Ionski kristali Energija kristalne rešetke. Hoće li neki proces biti egzotcrman il i endotennan ovisi o entalpijama procesa koj i sačinjavaj u proces otapanja i zato ga rastavljamo na dva koraka: 1)
Prevođenj e
tvari iz kristalnog stanja
li
slobodne ione. To je endoterman korak., ulaže
se određena energija na razbijanje k ristalne rešetke 6. kr.r.H. 2) S lobodni ioni se vciu s molekulama vode što uzrokt~jc entalpija hidratacije 6. hid,.H; ako je otapalo voda, to je egzotermni proces. Razlika utrošene E (6. kr.r_H) i oslobođene (6. hidr_H) je ukupna energija (ako je 6. o 1Gp.H< O cgzoterman proces, a ako ·je 6. otap.H> O endoterman ·je proces). E
slobodni ioni
t.,... H
a)
•,,
b.idratizirani ioni I otopina
kristal t:.H > O =} cndoterman proces
E
s lobodn i ioni
b) kristal b.idratizirani ioni I otopina
6.H < O~ egzoterman proces
Kada su kationi i anioni približno j ednakih radijusa, ili je njihov omjer veći od 0,7, kationi se ne mogu smjestiti li oktaedarske praznine kao u kristalnoj rešetk i natrijeva klorida. Tada kationi popunjavaju veće praznine kao npr. u strukturi cezijeva klorida. U kristalu CsCl građevni elementi su Cs+ i Cl , s l ične vel ičine su, koordinacijski broj im je 8. E mpirijska formula ionskih spojeva ne označuj e odrectenu molekulu, nego iskazuj e najjednostavniji omjer iona u ionskoj rešetki. Fom1Ulskajedinka magnezijeva klo rida, MgC1 , kazuje da je u ionskoj rešetki kloridn ih iona dvaput više nego magnezijevih. 2
Polimorfija. Često i~ 1eral Uednakoga kemijskog sastava) može imati razl ič itu kristalnu rešetku, a s time u vezi i različ it oblik i razl ičita fizi kalna i kemijska svoj.lliL \
lA~
Kemija u 24 lekcije
71
........... - - - - - - - . .
-
d
..
6.:K[istalni sustavi Svaka takva rešetka. zove se polimorfna "!_Odifikacija. Mineral kalcijeva karbonata, CaC0 3 kristalizira u trigonskom sustavu kao kalcit i u rompskom sustavu kao aragonit. Stvaranje jedne ili druge polimorfne modifikacije najčešće je prouzročene prornjenom temperature i tlaka. _Svojstva ionskih kristala:
I: J.
1 \'.J
• •
građeni od iona
-
među
ionima postoje elektrostatske privlačne sile krista lne su građe i imaju pravilan razmještaj iona u kristalnoj rešetki
imaju visoko talište i vrelište u čvrstome stanju ne provode
električnu
struju
imaju veliku tvrdoću topljivi su u vodi (polarne molekule vode razlažu kristalnu rešetku na slobodne ione koje zatim okružuju molekule vode - hidratizirani ioni) vode električnu struju u rastaljenom stanju i kao vodene otopine (elektroliti)
IAtomski kristali Atomski kristali su kristali u kojima su atomi povezani kovalentnim vezama koje formiraju mrežu koja se širi cijelim kristalom te je cijeli kristal zapravo jedna velika molekula. Uglavt1om su čvrste tvari, velike tvrdoće, visokog tališta i vrelišta, netopljivi u - vodi i ugTu.vii.om ne vode ttl_ektričnu struj\1. - - -- atomski kristali -
atomi
Atom ugljika iz 14. skupine ima 3 alotropske modifikacije. Alotropija je pojava da se ista tvar javUa u više strukturnih oblika. Za ugljik su to: dijamant, grafit, fuleren (C60 ) .
alotropske modifikacije ugljika: a) dijamant, b) grafit, c) fuleren, C(,4)
Dijamant je svaki C-atom povezan s četirima susjednim atomima koval.entnirn vezama. !ma veliku tvrdoću , visoko talište i vrelište, netopljiv kJ.Lsy im o.tap.a lima,_a_pri_ sobnoj temperaturi je u čvrstom stanju, najbolji je električni izolator jer nema slobodnih elektrona. · ~ ~ - - - - - --
72
Kemija u 24 lekcije
--------~ --------------------~---------
-
--
Molekulski kristali Grafit je mekan, masnog opipa, netopljiv je u otapalima, topljiv u metalima. Pri sobnoj tempe-raturi jelf'cvrstom stanju, dooar je vocffc{četvrtiefektron je delokalTziian). ·svaki ugljikov atom grafitu tvori tri kovalentne veze s trima susjcdnimugljikovim atomima u istoj ravnini. Tako povezani ugljikovi atomi grade šesteročlane prstenove. Budući da svaki ugljikov atom u kovalentnu vezu daje tri svoja valentna elektrona, jedan ostaje slobodan. Taj je elektron delokaliziran pa se može kretati u sloju. Veze između slQjeva su slabe Van der WaalsOveprivlač~e sile i omogućuju k lizanje s!Qi!!va,_ Grafit se koristi za izradu: elektroda u baterijama i gorivim ćelijama, olovaka, talioni čki h lonaca za taljenje metala, dodaje se umjetnim vlaknima za povećanje otpornosti na visoke temperature.
u
Fulcren je izgrađen u obliku nogometne lopte (20 šesterokuta i 12 peterokuta), po svojstvima j e sličan dijamantu, izrazito je tvrd, izolator je a ako mu se pri niskim temperaturama doda malo K, Cs, Rbp~staje supra.::,o dlj' ~upravodljivost}e stanje tvarikod -kojeg nema električ~.Q!po_ra . Kalavost je svojstvo kristala koji se pravilno lome po postojećim ili mogućim kristalnim plohama akose mirieral udari čekićem. -To- svojŠtvo pokazuj u kristali kod kofih su kohezijske sile različife u razl ičitim s~erovima. Najčešća je kalavostjednom plohom. Npr. grafit ima slojevitu strukturu, to je razlog što grafit ima jako izraženu kalavost među sloj evima (pucanje grafita u olovci).
IMolekulski kristali Molekulski kristali su građeni od molekula koje ostaju stabilne u čvrstom, tekućem ili plinovitom stanju. Među molekulama u kristalu djeluju s a ~ n d ~e sile. molekulski kristali -+ molekule l'iajpoznatiji su primjeri led, suhi led (~ rsti C~2, j od, neke modifikacjje sum_pora koje sadržavaju molekule S8, i neke modifikacije fosfora koje sadržavaju molekule P...1.. Ovetvan karakten ztraJU Jalce"Rovalentrie veze u molekulama,aTi re ativno slab"'e'meau_molekulske..sile....E.izikalna svojsfvatih lcrištalnilffvan ovise Jakosti međumotelarlsk-ihsila. Imaju nisko talište i vrelište, sublimiram,~!5,Q....hlape, netopljivi su il)_gabo topJ.iiri.ll vodi, dobro topJ_jivi u or[anskim otapalima, ne provode elektri~~u struj~(slobri izol~tori).
o
model kristalne strukture joda
model molekule sumpora S 8
model molekule fosfora P4
Kemija u 24 lekcije
73
a:·Kristalni sustavi
IKristali metala Kristali metala su građeni od iona metala i elektrona. Metali kristaliziraju tako da se njihovi atomi slažu najgušće, poput kuglica jednake veličine . Njihova su svojstv a različita . Litij, natrij i kalij moraju se čuvati u petrolej~ giraj,u.s..Y..Qdom. Na sobnoj tempe11iliiilziva je tekućina. Metali imaju metalni sjaj, tvrdi su i kovki, im aju visoko talište i vrelište, to.J?!i j,Y.i ! ~1)2 iU eku~in:1...metalima,..prLso..bJJOj temp~J:aturi..s.u . . . ~ stanju, osim Hg, dobri su vodiči.
-----metala tvori guste slagaline,
Većina najčešće su: plošno i volumno centrirana kubična slagalina i heksagonska slagalina. Koordinacijski broj iznosi 12 (to je naj veći mogući koordinacijski broj u kristalnoj strnktmi). Svi alkalijski metali imaju volunmo centriranu kubi čnu slagalinu, elementi 11. skupine PSE (Cu, Ag, Au) također kristaliziraju u kubič-nOm sustavu kao 1)Iošl10 centrirana kocka. Aluminij , bakar, zlato, srebro, neki su od metala koji kristaliziraju ukubičnome krištalnom sustavu. Magnezij j cink )ID!lljeri Sli metQ!a koji kristaliziraj!!J1 heksagonskome kristalnom sustavu. U volumne centriranoj kubičnoj kristalnoj strukturi kristaliziraju željezo, natrij, kalij .
Miješanjem metala s drugim metalima ili nemetalima možemo im promijeniti svojstva. Proces se naziva lcgiranje, a smjese legure (slitine). Primjerice, čisto zlato (24 karata) mekano je i lako se oblikuje. Za izradu nakita upotrebljava se 18-karatno zlato koje sadržava 75 % zlata, a ostalih 25 % čine srebro i bakar. Takva je legura čvršća i postojanija. Najpoznatija legura željeza svakako je čelik (sadržava do 2 % ug]jikat Čelik je tvrđi i čvršći od čistog željeza i otporniji na koroziju. Nehrđaj}-IĆi čelik legura je žei}eZa;:::k rom a in ikla ~ čvrstoće-~ otpornostr na koro~ ziju. Služi za izradu kirurškog pribora, o"štrica noževa, posuđa i sl.
vefr1<.e1e
74
Kemija u 24 lekcije
---------- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
--
· 6. lekcija: Zadatci
L
Elementarna ćelija litija je volumno centrirana kocka brida duljine 0,353 nm. Izraču na.i gustoću litija.
L
Elementarna ćelija aluminija je plošno centrirana kocka brida duljine 0,405 nm. a) Izračunaj gustoću aluminija.
b) Je li to laki ili teški metal?
ćelija bakra je kubična, a b1id duljine 0,362 nm. Gustoća bakra je 8,92 g/cm3. Odredi kristalizirali bakar u plošno ili volumno centriranoj kocki.
;3.,_ Elementarna
~ Duljina brida jedinične kubične slagaline u kojoj kristalizira platina je 0,392 nm. Gustoća joj
je 21 ,45 g/cm3. Odredi tip elementarne ćelije .
.§.,_ Molekulske kristale gradi: a) CaO b) grafit
L
c) zlato
d) NaCl
Koja veza djeluje između atoma u kristalu kalcija? (§)11etalna veza a) Kovalentna veza b) ionska veza
L_ Prouči sliku slagali.ne i zaokruži slovo pred točnim odgovorom.
To je: a) jednostavna kubična slagalina, (]:plošna, c) volunmo centrirana. Broj atoma u toj elementarnoj ćeliji je: a) 2 h} 1(:9)4 d) 8. . Koordinacijski broj je: a) 2 b) 4 c) 8~ Polumjer atoma je: a) ah b) a/4 c) d/4 Q!.}~!2.
L
Zaokruži tvrdnje koje su točne za klistal kuhinjske soli: ~
~ kristalnom stanju nije vodič
je ionski kristal c) ima niže talište od KCl
( j )talište ovisi o tlaku I temperaturi
e) talište ovisi o naboju i veličini iona .
..
L_ Element A kristalizira u plošno centriranoj kubičnoj rešetki, a duljina brida elementarne ćelije mu je 393 pm. Gustoća mu iznosi 21,24 g/cm 3 . Kolika je A„ tog elementa? 1 O. Bakar klistalizira u plošnocentriranoj kubičnoj slagalini duljine brida jedinične ćelije a=361,5 pm. Izračuna.i polumjer (radijus) atoma bakra i njegovu gustoću. Kemija u 24 lekcije
75
6. Kristalni sustavi ~ Natrij k.ristalizira u volumno centriranoj kubičnoj slagalini, gustoće 0,974 glcm 3 . Ako nmje a=428 pm odredi polumjer atoma natrija.
12. Kristali različitih soli smrve se pod udarcem čekića. Kristali metal.
Obrazloži kakve osobine očekuješ od: a) tvari s ionskom kristalnom rešetkom b) tvari s metalnom kristalnom rešetkom c) tvari s molekulskom kristalnom rešetkom d) tvari s kovalentnom kristalnom rešetkom.
14. Od mjedi se izrađuju mnogi predmeti. Je li mjed (legura): _3}fruta otopina bakra u cinku ~uta otopina cinka u bakru c) intem1etalni spoj sastava CuZn d) intermetalni spoj sastava Cu5Zn 8?
-
15. Kako objašnjavaš činjenicu da ima slitina (legura) koje su krte poput stakla, a opet da se neke slitine (legure) mogu kovati, valjati, izvlačiti u žice?
16. Usporedite osobine bakra, kalijeva klorida, magnezijeva oksida i elementarnog joda. Koja od navedenih tvari: a) ima najniže talište b) ima najviše talište c) dobro provodi električnu struju u krutom stanju d) provodi električnu struju samo u rastaljenom obliku. I
1L Koji će oksid imati više vrelište: barijev oksid (BaO) ili magnezijev oksid (MgO)? 18. Koji
će
od spojeva biti više ionskog značenja:
a) SnO ili SnS
b) A1Cl ili A1Br3
d) SnS ili PbS
e) SnS ili SnS2?
3
c) BeC12 ili BeF2
19. Kalij kristalizira u obliku volumne centrirane kubične slagaline. Polumjer atoma mu je 277 pm. Odredi
76
Kemija u 24 lekcije
gustoću
kalija.
7. lekcija
7: Energijski učinci kemijskih reakcija
ITermokemija U svakoj kemijskoj reakciji kidaju se postojeće kemijske veze u reak:tantima i nastaju nove veze u produktima. Te promjene prati promjena energije. Područje znanosti koje proučava energetske promjene tvari i odnose toplinske energije s ostalim vrstama energi]e zove se tcri:nodinamika. Dio k e,.;,ije koji bavi . izučavanjem ·izmjene topline pri kemijskim reakcijama naziva se termokemi,ja. Ona je dio znanstvene discipline kemijske ternioillnamik~ koj_a~ e bavi .e_ro_1:1_čavanjern izniJenaenergije pri kemijs~im P!Ocestma.
se
1. zakon termodinamike: e,J1ergija izoliranog sustava je stalna i ne može se niti stvoriti niti uništili nego samo prelazi u drnge oblike energije: toplinsku, električnu, mehaničku, kemijsku, energiju elektromagnetskog zračenj a, nuk.learmL '\ '-
Jedinica SI sustava za energUu je džul, oznaka J. 2. zakon termodinamike: toplinska energija spontano prelaz i s toplijeg tijela na hladnije. U tennodinamici raz likujemo sustav koji proučavamo, a sve što je izvan toga nazivamo okolinom. Stanje sustava opisane je fizikalnim veličinama poput tlaka, temperature, volumena., množine molekula i mase sustava. Energija u svemiru .ie stalna i samo se izmjenjuje između sustava i okoline. Sustav je dio svijeta koji nas zanima, a može biti: •
otvoreni - moguća je razmjena tvari i energije s okolino1n_(_otvQrena tikvica koj~ se zagrijava) zatvoreni - sustav mož~ s okolinom razmjenjivati energiju, ali nije moguća raz- - -~ ! ~i s okolinom (začepljena tikvica koju zagrijava1no)-, -
•
izolirani - ,nij ~ mo&"1ć2 iz.@j~,na tvari i_energij ~ -s -~k_~l!!1~1p_(!er~~~s:.boca) . tvar energija
r~~,
energija
BI!·
otvoreni sustav
zatvoreni sustav
izolirani sustav
Oblici izmjene energije između sustava i okoUnc jesu toplina i rad. Toplina je energija koju sustav izmjenjuje s okolinom zbog razlike u temperaturi između sustava i O~QJi,n~ (kažemo: spontano prelazi s toplijeg tijela na htadmje dok se temperature ne izjednače). Oznaka za toplinu je Q. Kao i svaki drugi oblik energije, mjerimoje__u_džulima, J. Rad j e svaki prijenos energije koji nije toplina. Oznaka za rad je W, ajedinica džul,!.:_ - --- - TopUnski kapacitet, C, nekog uzorka iskazuje se kao omjer ~psorbir~ne topline_QJ_ prirasta t:eEJperat:ure b.T, tog uzorka_~ ...__- . - ~
\ C=g_ i
\ 78
1
b.T
--
Kemija u 24 lekcije
- - - - - - - - - - --------------- - =- -~ - -
-____ -----
Termokemija Toplinski kapacitet je karakterističan za pojedinu tvar i iskazuje se specifičnim i molarnim toplinskim kapacitetom. Specifični toplinski kapacitet, c, je toplina potrebna da se I kg tvari temperatura _p_ovisi za I K. Karakterističan je za pojedinu tvar. Molarnl toplinski kapacitet,_cli) , je toplina potrebna da se l molu tvari temperatura povisi za 1 K. specifični
toplinski kapacitet
-c=_g_ m·!J.T T~ linski k~acitet ovisi o količini tvari. Fizikalne veličine koje ovise o količi ni tvari nazivamo ekstenzivnima, a intezivne ne ovise o količini tvari. Primjeri ekstenzivnih ~eličina su masa i volumen, a intenzivnih temperatura i gusio~a . Kalorimetrija je eksperimentalna metoda mjerenja prijenosa energije kao topline a kalorimetar je uređaj kojim se provode mjerenja topline tijekom neke reakcije. (1cal =
,
4,J84J). ---Toplinu koju je tvar zagrijavanjem primila od okoline ili računamo
-
-
hlađenjem predala okolini
prema izrazu:
Entalpija, H, j~~dinamička funkcija stanja nek~g sustav~, a njezi1:_prirast, !J.H?. jest t~plina koja se vežeJ!i oslobodi pri nekoj fiz~alnoj ili kemijskoi_gromjeni l!Z stalan ~k. f,.psolutna vrijednost entalpije se ne može odrediti već samo njezina promjena.
Q = !J.H
(p = konst.)
Prirast entalpije (!J..H): !J.H = H,,__ • - H..,.,.~ "--""--- ...,,,a. no '""""rno MI= H -_ -::H --. produkt,
("-,-....,........-
rcaktanu
-....,--,-- ,.._ ,_.
Entalpija je ekstenzivno svojstvo tvari i funkcija stanja. Funkcije stanja su svojstva sustava koja ovise samo o trenutnom stanju, određenom npr. temperaturom i tlakom, i neovisnom o nači nu kako je do njega došlo. Zato je za funkcije stanja važno samo početno i konačno stanje, a ne način kako se do njih došlo. Entalpiju neke kemijske reakcije nazivamo rekacijskom cntalpijom , označujerno je s !J. H i izražavamo u l
- -
-
~ rdna reakcijska entale!i~ @,J!J odngsi se na reakciju u ko· oj se reaktanti i produkti nalaze u standardnim stanjima. U termodinamici se fizikalne veličine najčešće o dnošena temperaturu od 298,l SK ilij S °Ci tlak oj I O1325 Pa, što nazivamo normalnim uvjetima ili normalnim okolnostima, za razliku od standardnih (O °C).
!J.,.H =
L Hp,odukti - L Hreaktnoti
cr - grčko slovo sigma, čitaj : zbroj)
Termokcmijske jednadžbe osim samih formula sadrže i agregacijska stanja reaktanata i produkata, te vrijednost standardne entalpije reakcije. Oznake stanja reaktanata i produkata su: (g)- plinovito stanje, (1) - tekuće stanje, (s)-čvrsto stanje, (cr)-kristalno stanje, (sln ili sol) - otopina, (aq) - vodena otopina, (aq,oo) - vodena otopina pri beskonačnom razrijeđenj u .
Kemija u 24 lekcije
79
7. Energijski učinci kemijskih reakcija Promjena reakcijske entalpije prikazuje se grafički entalpijskim (ili energijskim) di- _ _j..(!gramim_~,_ Promatrajući vrijednosti promjene entalpije tijekom kemijske reakcije, t:i.H razlikujemo dva slučaja: endoterm.ne i egzotermue reakcije.
Ako,· e H pro d uk aO > H reak lana11., slijedi!!,r H> O, takve reakcije nazivamo endotermnim toplina ide u smjeru okolina - sustav, jer se toplina troši, dovodi u sustav.
Ef)(X<:,,,.
o
energija se dobiva iz okoline
početno
• :u m
stanje
- - - - - - - - - - Epoi!«na
E sustava se povećava
Ako J. e H prod uk·ati < H reaktana ti' slijedi !!,r H < O, reakcija je egzoter ma, toplina se
oslobađa.
energija se gubi u okolinu konačno
•· .
1
nt
stanje ----------
Ekoi\i\Čmt
E sustava se smanjuje Primjer egzotermne reakcije:
2H2 (g) + 0 2 (g) - 2Hp (g);
!!,,.H =
- 483,6 kJ/mol
Primjeri egzotemmib reakcija su: a) sagorijevanje (oksidacija), npr. sagorijevanje zemnog plina (metana) ili bilo kojeg goriva b) neutralizacija c) otapanje živog vapna u vodi
80
Kemija u 24 iekcije
-------- --------- --------------- ------
-
Procesi koj i dovode do svladavanja sila među č'esticama tvari p1i faznim pretvorbama pri čemu se energija izvana troši na savladavanje tih sila su e~dotermni (taljenje, isparavanjs., sublirof!.cUg). Obratni procesi su egzotermni (očvršćivanje, kondenz acij_~, kondenzacija u čvrsto stailji/. --
Vrste reakcijskih entalpija koje su posebno važne u termokemiji '
I
1. ,S tand, rdria1 elitalpija stvaranja, !::./1 (f = engl. formation == stvaranje) Standardha molama entalpija stvaranja spoja (t:J. H) jednaka je toplini koja se oslo1 bodi ili'utroš! kad jz elemenata uzetih pri standardnom stanju nastane jedan mol spoja u standardn'om ,stanj~. Standardne entalpije stvaranja elementarnih tvari su pri svim temperaturama jednake nuli. Standardne entalpije stv aranja spojeva mogu biti pozitivne i negativne (pogledati u tablicu). Standardna reakcUska entalpija neke reakcije može se izračunati iz entalpija stvaranja spojeva koji sudjeluju u toj reakciji. To se izračuna s pomoću Hessova zakona (Germain Henri Hess, 1840. g.): Promiena entalplje ukupne reakcij! j~zbroj ~mjJ!na entalp)jl! pojedinih koraka na koje se ta reakcija ~ože rastavi!_i. .J~-:~,~~-0\l (.J
~o'
t::,.l H 0 (CH.i(g)) = - 74,8 kJmol- 1
,,,!~:·;rira,t ~ /je znak za nastajanje engl. formation
l
Hoznač1~je
~ ~-=========:=:;---' prirast ent:alpije pri nastajanju 1 mola metana
predznak minus kaže .daje I to egzotennna promjena
toplinsku energiju 0 označuje standardno stanje temperatura 25° i tlak !OS Pa
agregacijsko stanje metana
!:J.r Ho =~ t:J.Ho - ~ t:J.Ho '-- , - produkti '-- , - reaktanti 2. Standardna entalpija sagorijevanja, !:J.cH Kada 1 mol SU:R.~tancije reagira s kisikom u reakciji _g fil!rani~ toplina reakcije se zove toplina izgaranj?,J !::. .H), npr. . CH4 (g) + 202 (g) -
co2 (g) + 2H20 (g)
(c = engl. combustion = izgaranje)
Kada se radi o reakcijama oksidacije, vrijedi: !:J. H = !::., H. Entalpija sagorijevanja neke tvari odnosi se na reakciju opisanu jednadžbom u kojoj se jedna jedinka te tvari potpuno oksidira s molekulskim kisikom u konačne produkte. Svaka reakcija sagorijevanja je ezgotermna. 0
J
3. Standardna entalpija kemijske veze Energija utrošena za kidanje J mol kovalentnih veza mjera je jakosti veze, a zove se _:itandardn~ entalpija kemijske veze. Označava se oznakom !J./T0(ukojoj indeks b potječe od engl. bond = veza) Kemija u 24 lekcije
81
;
I
7. Energijski učirici kemijskih reakcija
4. Entalpija fazne promjene ili prijelaza Entalpija prijelaza je toplina koja se troši i li os lobađa pri prijelazu iz jednog agregacijskog sta!!i.ft _u drugo- uz stalni tlak Najčešće fame promjene su isparavanje, kondenzacija, sublimacija, taljenje i očvršćivanj e. Navode se redovito samo pozitivne vrijednosti entalpija. Suprotni procesi entalpije prijelaza imaju i suprotne predznake. Primjerice entalpija fazne promjene koju nazivamo taljenje ima pozitivan predznak (zahtijeva utrošak energije), dok taljenju suprotan proces, očvršćivanje, ima negativan predznak entalpije. Promjena entalapije sublimacij~ j~dnaka je sumi promjena entalapije taljenja i ispa_ravanja: _ , MIsub = 6.H1sp + 6.Hta 1J•
Dogovorne oznake za entalpije prijelaza: 6. fH- isparavanje t:,. g'H -
kondenzacija
t:,. _,1! -
taljenje
t:,.
t:,.
;H- kristalizacija
:H- sublimacija
Sumarno, za neku hipotetsku reakciju : aA + bB - cC + dD vrijedi račun standardne entalpije reakcije iz standardnili entalpija stvaranja tvari A, B, Ci D:
6.,.H = [c6.ji (C)+ d6.1H (D)] - [al\H (A)+ Mji (B)] suma entalpija stvaranja produkata Ci D (entalpije stvaranja pomnožene su sa stehiometrijskim koeficijentima u jednadžbi reakcije)
suma entalpija stvaranja reaktanata A i B (entalpije stvaranja pomnožene su sa stehiometrijskim koeficijentima u jednadžbi reakcije)
Održavanje tjelesne temperature stalnom jedna je od primarnih fizioloških funkcija ljudskog tijela. Normalna ljudska temperatura kJeće se u vrlo uskom rasponu 36,5-37,O °C. Ten11ostat za regulaciju tjelesne temperature je dio ljudskog mozga koji nazivamo hipotalamus. 6 n sea ktivira ako temperatura padne ili naraste li odnosu na normalni temperaturni interval. Kada tijelo proizvodi prevelike količine topline (pojačanom fizičkom aktivnošću) suvišak se prenosi na okolinu. To se zbiva na više načina - izravnim p1ijenosom na hladniju okolinu, zagrijavanjem zraka koji obavija i cirkulira oko tijela i znojenjem koje se sastoji li evaporaciji (isparavanju) znoja. Znoj je dominantno po kemijskom sastavu voda, a fazni prijelaz vode u plinovito agregacijsko stanje je endotem1an, za čije zbivanje tijelo daje svoju "suvišnu" toplinu. Stoga je proces znojenja vrlo važ.an za održavanje tjelesne temperature. ~ tjelesna temperatura znatno smanji, endokrini sustav se aktivirana način da ~manji protok krvi uz površinuk ože te da se aktiviraj u milićne kontrakcije koje će pro1zvesti toplinu. Ako tijelo ne može na ovaj način održatCtjelesnu temperaturu iznad 35 °C doiažra·opojave koju nazivamo hipoten11ija i koja može biti opasna za ljudski život.
82
Kemija u 24 lekcije
L
Izračunaj koliko se topline oslobodi ako se željezni čavlić mase 5,5 g ohladi s 37 °C 1 1 na 25 °C. Specifični toplinski kapacitet željeza iznosi 0,450 J K- g- .
L
Gorenjem magnezija nastaje magnezijev oksid. Jzračunaj reakciju entalpiju. Odredi je li to egzoterman ili endoterman proces. Nac.rtaj entalpijski dijagram.
L
Izračunaj promjenu reakcijske entalpije i odredi je li egzotennna ili endotennna za
sljedeću reakciju: PbO (s) + C
(s} --+
Pb (s) + CO (gr
~ Na temelju navedenih tennokemijskihjednadžbi reakcija:
C28i (g) + 5/2 0 2(g}--+ 2
co2(g) + ~ o(!)
t:,,c H = - 1299,6 kJ/mol t:,,C H = - 393 ,5 kJ/mol
C (s) + 02 (g) --+ co2 (g) H2 (g) + 1/202 (g)--+ H20 0) t:,,cH = - 286,0 kJ/mol izračunaj reakcijsku entalpiju t:,,rH za reakciju : 2C (s)+ H2 (g)--+ C2 H2 (gr
L
Izračunaj utrošenu toplinu (pri stalnom tlaku i 25 °C) za proizvodnju 3 kg kalcijeva
karbida.
L
Kalcijev karbonat se razlaže na kalcijev oksid i ugljikov(IV) oksid. li, H te reakcije je 178,l k.T/mol. Entalpija stvaranja kalcijeva oksida je - 635,5 kJ/mol, a ugljikova(IV) oksida - 393,5 kJ/mol. a) Napiši ten nokemijskujednadžbu reakcije. b) Odredi standardnu entalpiju nastajanja kalcijeva karbonata.
L
U svakom od navedenih primjera odredi predznak LiH, naznači je li reakcija egzotertnna ili endotermna i prikaži odgovarajući entalpijski dijagram:
I
a) H 2 (g) + 1/202 (g)--+ Hp(I) + 285,8 kJ b) 40,7 k.T + HP(t) -> Hp(g)'
L
Endotermna promjena je: a) fotosinteza
L
b) kristalizacija
c) neutralizacija
d) kristalizacija.
Za reakciju prijelaza joda iz plinovi tog u kruto stanje standardna reakcijska entalpija je - 62,4 k.T/mol. Odredi kolika će biti entalpija sublimacije joda.
1 O. Koliko se topline oslobodi gorenjem 2 mola metana? Nac1taj energetski dijagram te reakcije i napiši termokemijsku jednadžbu.
1h Odredi prirast entalpije (toplinu) ako l kg kalcijeva oksida reagira s vodom. 12. Glavni izvor aluminija j e .ruda boksit (sadrži a]uminijev oksid). Reakcija njenog termičkog raspada može se prikazati: I:,
Al20 3 (s)--=--..+2Al (s)+
3
2 0 2 (g) ·AH= 1676kJ.
Koliko se grama aluminija može dobiti ako se koristi 1000, 103 k.T topline? Kemija u 24 lekcije
83
T. Energijski učinci kem'ijskih reakcija 13. Koliku količinu topline treba dovesti da 1 kg dušika pri - 206 °C prijeđe u plinovito agregacijsko stanje pri 20 °C ako su poznati sljedeći podatci za dušik: TemReratura taljenja
--:~==== Temperatura vrenja -=====-
- 210
-196 2,0 1,0
- - --
Entalpija isparavanja
200
14. Upotrijebi sljedeće podatke i izračunaj 11/f metanola: CH 3 0H (t)+%0 2 (g)
~ C02 (g)+ 2H2 0 (g)
11„H =-638,5kJ ~ Za rekaciju razlaganja željezova(lll) oksida na željezo i kisik rekacijska entalpija pri
25 °C iznosi 1644,4 kJ/mol. a) Izračunaj entalpiju stvaranja Fe2 0 3 . b) Nacrtaj entalpijski dijagram. c) Odredi je li rekacija egzotermna ili endotermna. d) Ako je na.stalo 800 g željeza, izračunaj brojnost molekula Fep3 i volumen molekula kisika.
16. Prikaži termokemijskomjednadžbom i nacrtaj entalpijske d~jagrame otapanja u vodi za natrijev hidroksid i amonijev klorid. 17. Specifični toplinski kapacitet Hp je4,18 JK- 1g-1, a vodene pare je 2,03 JK- 1g- 1. Specifična topi ina isparavanja vode je 2,26 · I 0 3 Jg-1. Tzračunaj toplinu potrebnu da 250 g vode temperature 15 °C prijeđe u vodenu paru kojoj je temperatura l 08 °C.
84
Kemiia u 24 lekcije
8. lekcija
8. Tekućine, otopine i koloidi
r
Tekućine su čiste tvari koje su u tekućem stanju pri sobnoj temperaturi i atmosferskom tlaku. Uređenost strukture u tekućinama je manja nego u krutinama, a čestice se relativno slobodno mogu gibati i mijenjaju svoje položaje pa poprimaju oblik posude u kojoj se nalaze. Osnovna svojstva tekućina ovise o privlačnim silama između molekula. Promjena tlaka nema veći utjecaj na volumen tekućina jer su nestlačive . Karakterizirane su gustoćom (omjer mase i volumena) koja se mijenja s temperaturom tako da se s porastom temperature povećava volumen, a smanjuje gustoća. Jedina iznimka je voda koja pokazuje anomaliju jer je najgušća u tekućem stanju na 4 °C, dok led ima manju gustoću od vode i zato pliva na vodi .
Privlačne sile između molekula tekućine djeluju u svim smjerovima podjednako, tako da se njihovo djelovanje međusobno poništava. Na molekule tekućine koje se nalaze u površinskom sloju ne djeluje sila koja bi se suprotstavila onoj koja djeluje u smjeru prema dolje, prema unulrnšnjosti tekućine Ta p1ivlačna sila nastoji uvući molekule na površini u tekućinu i tako smanjiti površinu tekućine. Energiju koja je potrebna da bi se povećala pov ršina tekućine nazivamo površinska napetost i izražavamo je u 1 N m- . Zato tekućina zauzima oblik kapljice, odnosno p1ibližno oblik sfere (kugle). Na površinu vode možemo oprezno položiti šivaću iglu ili tanku metalnu pločicu i ona neće potonuti. Također i neki kukci hodaju po površini vode upravo zbog površinske napetosti . .Površinska napetost ovisi o temperaturi. Povišenjem temperature površinska napetost se smanjuje. Postoje tvari koje imaju sposobnost smanjenja površinske napetosti i nazivamo ih površinski aktivne tvari ili tenzidi. U svakodnevnom životu to su sredstva za pranje, sapuni i deterdženti. Molekule tenzida (amfipatske molekule) smanjuju površinsku napetost vode zahvaljujući svojoj građi. Amfipatske molekule su takve molekule koje se mogu otapati u vodi i u mastima i uljima jer posjeduju polarni hidrofilni dio koji je dobro topljiv u vodi, ali i hidrofobni, nepolarni dio, najčešće dugački ugljikovodični lanac, dobro topljiv u mastima i uljima.
Viskoznost (unutarnje trenje) je osobina tekućina i plinova da pružaju otpor među sobnom kretanju njihovih slojeva. Jače viskozna tvar djeluje ljepljivo i teško se prelijeva. mje ima veću viskoznost od vode, ali ima manju gustoću i pliva na vodi. G1ijanjem ulje znatno gubi na viskoznosti, dok se viskoznost vode značaj n o ne smanjuje pri zagrijavanju. Viskoznost tvari opisuje koeficijent viskoznosti f1 (grč. slovo eta) i mjeri se u paskalsekundama (Pa s). Unutarnje trenje posljedica je intenuolekulskih sila - vodikovih veza, van der Waalsovih međudjelovanja čestica tekućine . Viskoznost ovisi o jakosti tih sila, ali i o veličini molekula. Što su jače sile privlačenja među molekulama, veća je viskoznost
tekućina.
Svaka kemijska tvar može postojati u sva tri agregacijska stanja - čvrstom, tekućem i plinovitom, ovisno o temperaturi i tlaku. Tako primjerice i kisik može biti u čvrstom
agregacijskom stanju, ali ne p1i uobičajenim uvjetima tlaka i temperature koji vladaju na Zemlji. Plinovi nemaju stalan volumen, već zauzimaju volumen cijelog spremnika u kojem se nalaze, gustoća im je puno manja u odnosu na krntine i tekućine, a stlačivost vrlo velika u usporedbi sa stlačivošću krutina i tekućina. Te promjene ovise o dva čimbenika: tlaku i temperaturi. Pojam faze često se miješa s pojmom agregacijskog stanja. Faza je homogeni dio nekog hcterogenog sustava koji je odijeljen nekom granicom od dru-
86
Kemija u 24 lekcije
Uvod gib dijelova tog sustava i ima jedinstvena kemijska i fizikalna svojstva. H omogene smjese imaju samo jednu fazu, a heterogene dvije ili više. Temperatura taljenja karakteristika je neke tvari. Nonnalno talište vode je O°C. Što su si le između čestica u kristalu jače, talište tvari je više, pa visoka tališta imaju ionski spojevi (NaCl 801 °C), krutine poput dijamanta (3550 °C) te neki prijelazni metali (najviše talište ima volfram 3410 °C). Alkalijski metali od svih metala imaju najniža tališta (ispod 200 °C), dok zemnoalkalijski metali imaju talište u prosjeku ispod 1000 °C. Tako je metal, živa ima nisko talište (-39 °C), stoga je pri sobnoj temperaturi tekućina. U tekućini su pri v l ačne sile između čestica puno slabije negoli u čvrstom stanju. Tekućine neprestano isparavaju. Ako se tekućina nalazi u nekom zatvorenom spremniku, iznad tekućine, kao posljedica isparavanja, uvijek će se nalaziti određeni broj čestica u pl inovitom stanju. Če stice tekućine isparavaju jer međusobnim sudarima dobivaju dovoljnu kinetičku energiju da savladaju privlačne sile koje ih međusobno vežu. S vremenom, u prostoru spremnika iznad tekuć i ne postoji određeni broj čestica koji čini tlak para tekućine. Ravnotežni tlak pare jest tlak koji ima para iznad tekućine kada je postignuta dinamička ravnoteža. U tom trenutku broj čestica koji iz tekuće prijeđe u plinovitu fazu jednak je broju čestica tvari koji se iz plinovite faze vrate natrag u tekućinu. Brzina isparavanja jednaka je brzini kondenzacije (postignuta je dinamička ravnoteža). Za tekuć ine koje imaju velik tlak pare, kažemo da su hlapljive (eteri čna ulja). Hlaplj iviji je dietileter od etanola, a etanol od vode. Voda ima nizak tlak pare jer nije lako hlaplj iva tekućina. Razlog tomu su vodikove veze između molekula vode u tekućoj fazi, paje potrebna relativno velika energija izvana da molekule vode napuste tekuću fazu. Temperatura pri kojoj se tlak para tekućin e izjednačava s vanjskim (naj češće atmosferskim) tlakom naziva se vrelište ili temperatura vrenja. Poput tališta, i vrelište je značajka č i ste tvari. Pti niskom atmosferskom tlaku tekućina vrije pri nižoj temperaturi, a pri višem je tlaku i vrelište tekućine više. Fazni dijagram vode prikazuje uspostavljanje ravnoteže između pojedinih stanja ili faza nekog sustava pri određenom Tekuća .~ faza Uaku i temperaturi. S pomoću ovog dijać grama objašnjavamo fazna svojstva vode u i svakodnevnom životu, tj. nastajanje rose, mraza i inja iz vodene pare. U trojnoj toč Kruta T ki T sve tri faze su u ravnoteži. Za vodu je faza ---- ·' '<> Plinovita O611 -----' :ro,c,\.\ to temperatura od 273,16 Ki tlak 610,6 Pa faza ~~r (0,6 11 kPa) . Fazni dijagram opisuje pods\) : ručja temperature i tlaka pri kojima je neka Temperatura (K) 273,16 faza najstabil.nija te kad se uspostavlja ravnoteža među fazama. Disperzni sustavi su smjese tvari koje se sastoje od disperznog sredstva i disperzne faze. Česti ce disperzne faze su raspršene u disperznom sredstvu, a njihova veličina određuje vrstu i svojstva disperznog sustava. Prema veličini čestica dijele se na otopine, koloide i grubo disperzne sustave.
>
Otopine su homogene (jednol i čne) smjese koje se sastoje od otapala i otopljene tvari. Homogene znači da su u svim svojim dijelovima jednakog sastava. Više ne razli.kuje1r10 otopljenu tvar i otapalo te ih smatramo jednofaznim sustavima. Veli-
Kemija u 24 lekcije
87
-
_..........
-
-------
čine svih čestica u otopini manje su od I nm (1 nm = 10-9 m). Najvažnije polarno otapalo je voda, stoga uobičajeno govorimo o vodenim otopinama plinova (npr. otopina amonijaka u vodi}, tekućina (npr. razrijeđena sumporna kiselina). Sustavi koji nisu jednofazni su disperzni sustavi, a prema veličini čestica mogu biti:
>
Koloidni sustavi: čestice su veličine od 1 nm - 200 nm (mlijeko, krv, maslac, dim, želatina, sapunica).
>
G rubo disper zni s ustavi: sadrže čestice promjera voda).
većeg
čaj,
juha, magla,
od 200 nm (pijesak +
Tipovi koloidnih sustava Prirnjl·r
Naziv sustava
Uisperzna faza
Dlspcrzno sredstvu
sol<-+ gel
čvrsta
tekućina
želatina, boje i lakovi, bujon (goveđa juha)
emulzija (emulgator)
tekućina
tekućina
mlijeko, majoneza
čvrsta
tekućina
čvrsta
maslac, sladoled
emulzija
aerosol pjena
tvar
tekućina
ili čvrsta
tvar plin
tvar
plin
magla i dim, smog, lak za kosu, sprejevi
tekućina
sapunica, šlag
Napomena. Disperzna faza i disperzno sredstvo mogu biti u sva tri agregacijska stanja. Sve su kombinacije disperznog sredstva i disperzne faze moguće osim kombinacije plin-plin jer su plinske smjese homogene.
ISvojstva koloidnih sustava Tyndallov fenomen nastaje zbog rasipanja svjetlosti na česticama koloidnih dimenzija koje se ponašaju kao mali izvori svjetla. Koagulacija je proces skupljanja koloidnih
čestica
u
veće
nakupine.
Elektroforeza je metoda kojom se ispituju i odvajaju različito nabijene koloidne u otopini djelovanjem istosmjemog električnog polja. Npr. krv zdravog čovjeka ima stalan sastav. U krvi se nalaze bjelančevine (posjeduju amino i karboksilnu skupinu) ionizirane, a broj NH • i coo- iona je isti. Međutim kod bolesti se mijenja pH. Ako je pH 3 medija manji od izoelektrične točke bj elančevine, tada se smanjuje broj coo- skupina, molekula je pozitivno nabijena i kreće se prema - elektrodi. U lužnatom pH je obrnuto. čestice
Dijaliza je metoda čišćenja koloidnih sustava od prisutnog elektrolita, a temelji se na prolazu nekoloidoih čestica kroz polupropusnu membranu prema otopini u kojoj je njihova koncentracija manja. Koristi se na hemodijalizi bubrežnih bolesnika.
88
Kemija u 24 lekcije
-
-
S,voJ;tva. kgloiđnih sustava Veličina površine disperzne faze je karakteristika koloida te oni zbog toga dobro vežu različite tvari na površinu, imaju moć adsorpcije. Tako djeluje aktivni ugljen koji veže otrove, uklanja želučane tegobe ...
Emulzija je koloidni sustav dviju tekućina koje se ne miješaju, npr. mlijeko je emulzija mliječnih masti netopljivih u vodi. Emulgatori su dodatci koji stabiliziraju emulziju, npr. žumanjak u smjesi vode i ulja, kazein je emulgator u mlijeku, a važni su u prehrambenoj i farmaceutskoj industriji. Sol je sustav u kojem je disperzna faza čvrsta a disperzno sredstvo tekuće. Gel je sustav mrežaste strukture u koju je uklopljeno m11ogo disperznog sredstva. Prijelaz sol-gel je reverzibilan (sol hlađenjem prelazi u gel koji zagrijavanjem daje sol). U tijelu je taj proces ireverzibilan, jer je protoplazma stanice u stanju sola, ali kad prijeđe u gel (visoka temperatura iznad 42 stupnja, strujni udar... ) denatu1iraju se i koaguliraju bjelančevine i stan.ica ugiba bez mogućnosti vraćanja iz gela u sol. Otopina (homogena smjesa)= otapalo + otopljena tvar Polarno otapalo: voda - I·\O Nepolarna otapala: tetraklorugljik - CCI4 , benzen - C 6H 6, toluen - C 6H 5CH.3,
)p
eter - (C 2 H 5
Topljivost - masa tvari koju pri određenoj temperaturi tTeba otopiti u 100 g otapala da bi se dobila zasićena otopina. Ako je otapanje endoterman proces (pri otapanju tvari otopina se hladi), topljivost tvari raste s porastom temperature. Ako je otapanje egzoterman proces (pri otapan.ju tvari otopina se zagrijava), tada se topljivost tvari smanjuje s porastom temperature. Procesi otapanja soli većinom su endotennni procesi. Primjer otapanja kuhinjske soli (NaCl): H,O
Afi = +4,2 kJ mo1- 1
Možemo zamisliti da se otapanje soli dogada u 2 koraka:
1. Razaranje kristalne rešetke(= energija kristalne rešetke), uvijek endoterman proces Afi = +788 kJ mo1- 1 2. Hidratacija iona, uvijek egzoterman proces
Na\g) +Cl- (g)
H,o
Na\q) +Cl-(aq)
tiH = -784 kJ mo1- 1
Termokemijsku jednadžbu ukupnog procesa dobijemo zbrajanjem pojedinačnih N a +ci-(s)
H,o -
)
N a +(aq) + ci-(aq);
D.H = ti 1H + D. 2H = +788 kJ mo1- + (- 784 kJ mol-1) = +4 kJ mor' 1
(pogledati dijagrame razaranja kristalne rešetke u lekciji Kristalni sustavi). Endotennan je proces otapanja amonijeva nitrata dok je egzotennan otapanje kalcijeva klorida
Kemiia u 24 lekcije
89
8. Tekućine, otopine i koloidi Zasićena
-
nezasićena
-
prezasićena
otopina
Elektrolitička disocijacija je proces oslobađanja iona iz kristala ili nastajanja iona iz polarnih molekula djelovanjem polarnog otapala, (elektroliti/ neelektroliti).
Na+c1-(sl - Na\ ,q) + CI
(aqJ
Hidratacija je proces otapanja npr. ionskog kristala natrijeva klorida u polarnoj vodi kaci molekule vode okružuju ione na površini kristala tako da između iona i molekula vode nastaju ion-d.ipolna pri vlačenja te se "odvajaju" ioni iz k1istala. Ione okružene određenim brojem molekula vode zovemo hidratiziranirn ionima npr. [Fe(H2 0\] 3+, [Be(H 20)/+, [Al(H 20\]3+.
•
.... Solvatacija je isto što i hidratacija ali otapalo nije voda, tako nastale ione zovemo solvatizirani ioni. Možemo razlikovati zasićene, nezasićene i prczasićene otopine. Otopine u kojima se više tvari otapa nego što se kr.istalizira su nezasićene, a kad se i~jednači broj čestica koje se otapaju s brojem čestica koje kristaliziraju govorimo o zasićem~j otopini. Prezasićenje otopine postiže se zagrijavanjem zasićene otopine, jer tada možemo otopiti još tvari te nakon toga hlađenjem. Polazeći od nezasićene otopine, možemo dobiti prezasićenu otopinu: > povećanjem koncentracije otopljene tvari, > smanjenjem temperature, > flash-uparavanjem. Prezasićena
90
otopina. je nestabilna.
Kemija u 24 lekcije
-------
--
-----
--
-
-
~-
----- -- -
_.,._
--
~
-
---
Zasićena - nezasićen~ - pre'zasićena otopina L00 --- , --,-- ,-,,-,-- ,-,---,- ,,--,---,--,--
90 -I- ~ ~ ,::_ 1---l- .Jh'-'...l- -+--+--l 70 -l--+--
60
'g.., C
0 ....,
o. o o ~ ~
8
50 +---t,,~ - t-f--1--1--:,----t- ~ ~--17~ 40 30
t:J~ t:;z~~:]=~:j==:;rM
20 -t--- ~ ---!i---+-,,.-<;-·-
~
.,-h=-f' - -
10
L.....L__L--=i:::=:t==!==!===l:::::::t==!=:::j U°C O IO 20 30 40 50 60 70 80 90 I 00 krivulja topljivosti
Otapanje plinova Plinovima se toplj ivost smanjt~je s povećanjem temperature. Stoga u hladnim vodama ima više otopljenog kisika nego u toplim vodama.Topljivost plinova ovisi i o tlaku pa vrijedi Henryjev zakon. Henryjev zakon: toplj ivost plina pri određenoj temperaturi razmjerna je s tlakom plina iznad otopine. Plinovi koji kemijski reagiraju s vodom (HF, HCl, H S, S0 , S0 , 2 2 3 NH) ne pokoravaju se Henryjevu zakonu j er je njihova topljivost u vodi vrlo velika. Kad ronilac na vel.ikoj dubini udiše stlačeni zrak iz boce, u krvi mu se otapa više dušika nego izvan vode. Ako izroni prebrzo, smanjenjem tlaka smanjuje se topljivost dušika u krvi i on se oslobacla u obliku mj ehurića koji uzrokuju emboliju i mogu dovesti do smrti. Koligativna svojstva otopina su fizikalna svojstva otopina, ovise o broju čestica otopljene tvari, a ne o njihovim kemijskim svojstvima. To su: > parcijalni tlak pare iznad otopine >- povišenje vrelišta > sniženje ledišta > osmotski tlak. a) Tlak para otapala Raultov zakon: Tlak para otapala proporcionalan je nuiožinskom udjelu otapala u otopini. Tlak para otapala iznad otopine je manji od tlaka pare iznad čistog otapala uz konstantnu temperaturu. Vrijedi za idealne otopine (c < O, l M). p(A) = .x(A) · p*(A) p - tlak para otopine
p =p
•
n(B) n(A) + n(B)
p * - tlak para čistog otapala
n(B) - množina otapala 8 , n(A) - množina otopljene tvari A x(A) - množinski udio otapala u otopini Kemija u 24 lekcije
91
~......._. ~ --
] a.
Tekućine,
-
-
-
___
otopine i kolo~i
Idealne otopine su one koje slijede Raultov zakon. Otopine imaju manji tlak para nego čisto otapalo. Zato je vrelište otopine uvijek više nego vrelište či stog otapala, a ledište otopine niže nego ledište čistog otapala. b) Povišenje vrelišta otopine
Povišenje vrelišta i sniženje ledišta otopine u odnosu na otapalo u vezi je sa sniženjem tlaka pare otapala uzrokovanog prisutnošću otopljene tvari u otopini .
l:1T - povišenje v relišta otopine i - broj čestica na koje disocira molekula otopljene tvari , za neelektrolite i = I K - znak za ebulioskopsku konstantu (ebulioskopija je metoda za o dređivanj e moleb kulske mase neke tvari u otopini mjerenjem povišenja vrelišta otopine) b - molalnost otopljene tvari c) Sniženje ledišta Sniženje ledišta otopine koje izaziva nehlapljiva i neelektrolitna otopljena tvar prikazujemo izrazom: b.T = K · b f
Za otopine elektrolita koristimo izraz: b.T = i Kf · b
Krioskopija je metoda za određi vanj e molekulske mase topljivih tvari mjerenjem sniženja ledišta čistog otapala. K = znak za krioskopsku konstantu (engl.fi·eez - zaleđenje). 1
Ebulioskopska i krioskopska konstanta upotrebljavaju se za masa otopljenih tvari:
određivanje
molarnih
. .) Khm(otopljene tvari) M(otopI~cne tvan =~ - - -- -- m( otapala )AT
ili
. . Kf m( otopljene tvari) M(otopljene tvan) = ---=-- - -- -m(otapala)6 T Sve otopine imaju više vrelište i niže ledište od čistog otapala. d) Osmotski tlak Difuzija je pojava spontanog miješanja čestica jedne tvari s česticama druge tvari, a posljedica difuzije je izjednačenje koncentracije otopina. Brzina prodiranja jedne otopine u drugu ovisi o: masi čestica, temperaturi medija i viskoznosti medija. Pojavu di fundiranja molekula otapala kroz polupropusnu membranu iz raz1jeđenije otopine u koncentriraniju, zbog izjednačenja koncentracija, nazivamo osmoza.
92
Kemija u 24 lekcije
.
-
: lska~itinje sastava otopine
,_
OtapaJo će difondirati sve dok se hidrostatski tlak ne izjednači s osmotskim. Zbog porasta volumena koncentriranije otopine, raste tlak na polupropusnu membranu pa čestice teže prolaze u koncentriraniju otopinu i brzine prijelaza se izjednače. T lak koji se pritom uspostavlja je osmotski tlak, a njegova je veličina dana Van't Hoffovom jednadžbom: II == i · c · R · T
(za eleklTOlite)
i - broj koji je jednak broju čestica nastalih otapanjem jedne molekule ili fommlske jedinke
c - množinska koncentracija R- opća plinska konstanta (8,314 JK- 1moi- 1) T-
tennodinamička
temperamra
Osmotski tlak je koligativno svojstvo otopina jer ne ovisi o vrsti čestica otopljene tvari već o njihovom broju. Povećava se s povećanjem temperature i porastom množinske koncentracije otopljene tvari u otopini. Prema osmotskom tlaku otopine dijelimo na izotonične, hipotonične i hipertonične. lzotonične otopine su otopine istog osmotskog tlaka, npr. fiziološka otopina je 0,9 %-tna NaClra r Ako je tlak dodanih otopina niži od cmog u stanici, onda je ta otopina hipotonična te dovesti do toga da više vode ulazi u stanicu (koja je koncentriranija) pa stanica bubri i može se raprsnuti. Ako se pak doda otopina višeg tlaka od stanice, tada voda iz stanice (razrj eđenija) izlazi u tu otopinu (koncentriranija) pa se stanica smežura. Stoga sve otopine koje unosimo u organizam trebaju biti izotonične s krvnim serumom.
ci
IIskazivanje sastava otopine Kvantitativni sastav otopine najčešće se iskazuje s pomoću udjela, koncentracija i molalnosti. Ud.jeli .) m(otopljene tvari) . w ( otop1~ene tvan == - -~ ~ - --
m( otopine)
a) maseni udio
w(A) ==
m(A) m(otopine)
m(otopine) == m(otopljene tvari)+ m(otapala)
ep (A)== V(A)
IV
b) volumni udio
V(A) - volumen komponente A zbroj volumena svih komponenata koje ulaze u sastav smjese
IV -
x(A) = n(A)
c) množinski udio
In
In - zbroj množina svih komponenata koje ulaze u sastav smjese Kemija u 24 lekcije
93
8. Tekućine, otopine i koloidi
Masena koncentracija
Množinska koncentracija
'Y (A) =
c(A)
m(A)
V(otopine)
n(A) V(otopine)
Molalnost b(A)=
m(A) = y(A) · V(otopine)
Veza masene i množinske lconccntracije: m(A)
c(A) = n(A) = M(A) V0 1 111m
=
m(A) · Pm m01 • M(A)
= w(A)-{>01 = M(A)
Pol
y(A) = m(A) = w(A) · m01
-
m ot
~t
P„1 Zakon
razrjeđenja:
ni =nz c l · VI = Cz ·
v2
ili Y1 · V1= Y2 · v2
Zakon miješanja:
~
94
Kemija u 24 !ekciie
ni
+ +
c1V1
+
n(A)
m(otapala)
ili
w w n2
n,
c2V2
c 3~
-'
y(A ) M(A)
8..lekcija: Zadatci
i
8. lekcija
L
Kolika je masa kal ijeva nitrata potrebna za pripremu 150 mi otopine masene koncentracije 110 g/L?
~ lzračunaj masu natrijeva klorida potrebnog za pripremu 1 dm 3 otopine množinske koncentracije 0,2 mol/dm3 .
L
Maseni udio kalijeva bromida u vodenoj otopini je 19 %. Koliko grama soli sadrži takva otopina na 200 g vode?
L U 20 L plinske smjese metana i propana. volu1m1i
udio meta.na je 0,82.
Jzračunaj
vo-
lumen propana u toj smjesi.
L U pripremljenoj vodenoj otopini glukoze njen množinski udio je 0,25. Koliku masu glukoze sadrži otopina koja sadrži 100 g vode?
L
Otopina etanola u benzenu je pripremljena miješanjem 30 ml etanola gustoće O,789 g/1 s 280 ml benzena gustoće 0,987 g/ml. Tzračunaj molalnost etanola u otopini.
L
Pomiješano je 120 mL klorovodične kiseline množi.nske koncentracije l ,05 mol/L s 200 ml klorovodične kiseline množinske koncentracije 1,8 mol/L. Kolika je množinska koncentracija nastale otopine ?
L
Gustoća razrijectene dušične kiseline masenog udjela 25 % je l,J 382 g/mol. fvfasa otopine je 250 g. Izračunajte : a) masenu koncentraciju b) množinsku koncentraciju otopine dušične kiseline.
L
Iz otopine natrijeva klorida masene koncentracije 50 mg/mL trebaš pripremiti otopinu masene koncentracije 22 mg/mL. Ako si uzeo 150 mL početne otopine, na koji volumen je treba razrijediti da dobiješ otopinu tražene koncentracije?
10. 75 cm3 lužnate otopine je razrijeđeno na 225 cm3 . Množinska koncentracija dobivene otopine je 0,2 mol/dm 3 . Kolika je množinska koncentracija početne otopine?
th Tzračunaj množinsk:u koncentraciju sulfatne kiseline ako se za neutralizaciju 50 mL natrijeve lužine množinske koncentracije 2,5 mol/d:m 3 utroši 75 mL kiseline.
12. Slike prikazuju čaše s vodenim otopinama. Svaki krnžić predstavlja. jednu česticu otoplj:_ne tvari. ~
o o
500 mL otopina A
tfLJ 500 mL
otopina B
500mL otopina C
500 rnL
250111.L
otopinaD
otopina E
8. Tekućine, otopine i koloidi a) U kojoj je otopini množinska koncentrncija otopljene tvari najmanja? b) Koliko vode treba dodati otopini A da njena množinska koncentracija bude jednaka množinskoj koncentraciji otopine B? c) Otopina dobivena miješanjem otopina A i B imat će jednaku množinsku koncentraciju kao i jedna od otopina sa slike. Koja je to otopina.?
13. 23 g natrijeva sulfata je dodano u 500 g vode. lzračunaj maseni udio soli u otopini. 14. Fiziološka otopina je vodena otopina kuhinjske soli s masenim udjelom soli 0,86 % i
gustoće 1,005 glcm 3 . Odredi volumen fiziološke otopine koji možemo pripremiti iz 15 g soli. Odredi množinsku koncentraciju soli u otopini. ~
Kolika.je molarnost otopine ako je u 200 g otopine otopljene 15g NaCl?
16. Koliki j e maseni udio natrijeva hidroksida u vodenoj otopini ako je njegova masena koncentracija 110,0 g/dm 3, a gustoća 1,1089 g/cm3?
17. Izračunaj množinsku koncentraciju otopine kloridne kiseline pripravljene miješanjem 80 mi otopine HCl množinske koncentracije 1,3 mol/dm3 s 30 ml otopine HCI množinske koncentracije 0,25 mol/dm 3.
1!:_ Koliki je volumen koncentrirane sumporne kiseline gustoće 1,84 g/cm3 masenog udjela 0,96 potreban za pripremu l,5 Lrazrijeđene kiseline množinske koncentracije 3 mol/L? ~ Izračunaj volumene 2 M i 9 M (M = mol/dm 3) otopina kloridne kiseline koje treba pomiješati da se dobiju 2 L otopine kloridne kiseline koncentracije 5,5 mol/ L.
20. Treba pripremiti 500 cm3 otopine HCl masenog udjela 20 % i gustoće 1,098 g/crn3 - od dviju otopina: prva ima maseni udio 10 % i gustoću 1,0474 g/cm3 a drngaje masenog udjela 36 % i gustoće 1,1791 g/cm 3 . Tzračunaj volumene prve i druge otopine potrebne za pripravu.
21. Za koliko se stupnjeva povisi vrelište ako se u 500 g etanola otopi O, 15 mola. naftalena (C 10H )? 8
22. 50 g tvari koja nije elektrolit je otopljene u 180 g vode. Ebulioskopska konstanta vode je 0,52 K mol- 1kg. Vrelište otopine je 100,8 °C. Tzračunaj molamu masu otopljenog neelektrolita.
23. Osmotski tlak otopine u kojoj je otopijeno 25 g proteina. u 2 L otopine pri 25 °C je 1780 Pa. Tzračunaj molarnu masu proteina.
24. Zašto je tlak pare benzena veći od tlaka pare vode pri istoj temperaruri? 25. Ima li veću napetost površine ugijikov tetraklorid (CCl.J ili kloroform (CHC1 )? 3
26. Izdvoji tvari koje nisu tekućine u užem smislu: etanol, morska voda, nafta, octena kiselina, talina zlata,
96
Kemija u 24 lekcije
tekući
zrak.
9. lekcija
-------
........._.-
-
9. Brzina i ravnoteža kemijskih reakcija
IEnergija aktivacije Kemi.iska kinetika je dio kemije koji proučava brzinu kemi_jske reakcije, čimbe ni)5.e koji djeluju na brzinu i mehanizme kojima se neka reakcija odvija.
Kemijske reakcije mogu napredovati različitim brzinama. Neke su trenutne, npr. neutralizacije, dok su drnge sporije pa traju satima ili danima. Reakcija esterifikacije traje i po nekoliko sati, a korozije godinama. Dva su uvjeta koja moraju biti zadovoljena za kemijsku reakciju. 1. čestice se trebaju sudariti, 2. trebaju imati energiju veću od energije aktivacije. Sam sudar čestica je dovoljan za neutralizaciju ili ionske reakcije, jer se suprotno na.bijene čestice privlače. Energija aktivacije ili eneroi·a aktiviranja reakcije (E.) je energija koju je potrebno ciovesti molekulama da mec1usobno reagiraju. U kemijskoj kinet1c1 energl)a a t1y~1_ci,J_e_,i.~ s.U1a p~tencijalne barijere KOJa oavaja produkte od reaktanata. Što je energija aktivacije veća, to manji broj molekula može prijeći vrh energetske barijere i reakcija je sporija. Ukupna energija produkata koji nastaju kemijskom reakcijom može biti veća od energije reaktanata (slika b) i tada govorimo o endotennnoj reakciji ili pak može biti manja od energije reaktanata pa govorimo o egzotermnoj reakciji (slika a).
-
Uspješan sudar čestica: /
-
8-
+
+
akLi vacijski kompleks
2HI
A · · A akLi vacijski kompleks
A·· A aktivacijski kompleks B .. B (prijelazno stanje)
B .. B (prijelazno stanje)
E
E J,,
A- B A-B
'
.: E' reaktanti
produkti
j - - - - -,
.:
: En
--1~_.H _ __;,_,1_=_! produkti
A- A
_B_-_ B:::::__ ____ -1_._ ___
: '
11/ /
___ _
reaktanti
a) egzotermna re,tkcija
b) endotennna reakcija
što sve utječe na brzinu kemijske reakcije? Na povećanje brzine reakcije će utjecati čimbenici koji:
a) povećavaju broj sudara (uspješnih)
b) povećavaju energiju čestica jer time više čestica ima energiju dovoljnu za reakciju
98
Kemija u 24 lekcije
-
.
---
-
Energija aktivacije c) smanjuju energiju aktivacije, jer će tada veći broj čestica imati energiju potrebnu za reakciju. Čimbenici koji utječu na brzinu su: koncentracija reaktanata, tlak (ako su reaktanti plinovi), temperatura, grada molekule, agregacijsko stanje i katalizator. Agregacijsko stanje reaktanata : reakcija između otopljenih ili plinovitih tvari L brža nego između tvari u čvrstom stanju. Ukupna površina reaktanata : veća površina reaktanata znači i bržu reakciju. Koncentracij a reaktanata : veća koncentracija reaktanata znači veći broj mogućih uspješnih sudara pa je veća i brzinarearuje. Brzina reakcije je proporcionalna množinskoj koncentraciji. · · v(A) = k · c(A) Temperatura: brzina reakcije raste s porastom temperature., povećanje temperature za 1O°C znači udvostručenje brzine. Katalizator je tv ar koja ulazi u reakciju, ubrzava je i iz reakcije izlazi nepromijenjena. Katalizator reakciju vodi drugi m "putem", snižene energije akt1vac1Je. Mozemo to prikazati na sljedeći način (A i B su reaktanti, K je katalizator aAB je produkt): A+K = AK AK + B=AB + K U ljudskom organizmu djeluje cijeli niz bioloških katalizatora ili biokatalizatora koje zovemo enzimi. Djeluju po principu ključa i brave., vrlo su specifični pa kataliziraju jednu ili nekoliko vrlo sličnih reakcija. Homogena kataliza je proces u kojem su reaktanti i katalizator u istom agregacijskom stanj.!!.,_ifok su u heterogeno.i katalizi u različitim agregacijskim stanjima. Inhibitori usporavaju kemijske reakcij~ Vrsta čestica : ionske reakcije su uvijek brže od reakcija u kojima sudjeluju atomi ili molekule. Brzina kemijske reakci.ie v iskazuje se kao prirast (promjena) množinske koncentracije bilo kojeg produkta ili reaktanta podijeljenog stehiometrijskirn brojem (v) u određenom vremenskom intervalu. Za neku reakcijuA + B 2 .:::t 2AB prosječnu brzinu reakcije možemo iskazati: 2
v = l L\c(AB) = _ c(A 2 ) {J(B 2 ) 2 L\t !:J.t t:.t
l tic
v= - ·v L\t
v - stehiometrijski koeficijent Negativan predznak za reaktante znači da se njihova koncentracija u vremenu smanjuje. /
Kemija u 24 lekcije
99
...
-----~ ..............
IRavnotežni sustavi Uspostavljanje ravnotežnog stanja je karakteristično za povratne (reverzibilne) kemijske reakcije. U trenutku kada se izjednače brzine polazne(-+) i povratne(-) reakcije, uspostavlja se dinam ičko ravnotežno stanje. U stanju ravnoteže su prisutni svi reaktanti i produkti reakcije, imaju određene vrijednosti koncentracije koje se razlikuju od početnih koncentracija i nisu ovisne o smjeni reakcije. Svojstva ravnotežnih sustava: a) ravnoteža se može uspostaviti samo u zatvorenom sustavu, b) u stanju ravnoteže makroskopska svojstva sustava se ne mijenjaju, c) u stanju ravnoteže neprestano se događaju procesi na molekulskoj razini, d) ravnotežne se stanje uspostavlja bez obzira na polazno stanje sustava. Konstanta ravnoteže - opisuje sastav reakcijske smjese u stanju ravnoteže. Za reakciju: aA + bB -> c C + dD izraz za konstantu ravnoteže je:
K = C
[cnot rAJ°fBt
Zakon kemijske ravnoteže, Guldberg -Waag
Tim Je zakonom iskazan zakon o djelovanju masa ili Guldberg-Waageov zakon koji glasi: Koncentracijska konstanla ravnoteže Ke kemijske reakciie pri određeno; temperaturi ima konstantnu vrijednost i jednaka je omje111 umnožaka množinskih koncentracija produkata i reaklanata p otenciranih apsolutnim vrijednostima njihovih stehiometrijskih koeficijenata. ---
Uglate zagrade označavaju množinske koncentracije sudionika. Za opis ravnoteže u plinovitim reakcijskim sustavima često se umjesto ravnotežnih koncentracija koriste ravnotežni parcijalni tlakovi, a dobivena konstanta naziva se tlačna konstanta ravnoteže, K . K = pc(C)· pd(D) P pa(A)·pb(B) Brojčana vrijednost konstante ravnoteže ukazuje nam gdje se uspostavlja ravnoteža. Ako su vrijednosti konstante ravnoteže male, to ukazuje da nije nastalo gotovo ništa ili vrlo malo produkata, pa je ravnoteža gotovo potpuno uspostavljana na strani reaktaoata i takve reakcije gotovo da ne napreduj u Kc = 10-8.
U izrazu za konstantu ravnoteže beterogenog sustava uzima se da je koncentracija krute faze jednaka jedan. Nakon postizanja ravnoteže, reakcijska smjesa ostaje u ravnotež i dok se ne promijene uvjeti. Sve što se tada zbiva opisano je u Le Chatelierovu načelu . Le Chatelierovo načelo : oka se na neki sustav u ravnoteži djeluje izvana promjenom koncen..traci}.fb tlaka ili ternJ2.erature, ravnoteža će se pomicati uvijek tako da se smanji taj vanjski ul}ecaj.
Ako se koncentracija jedinki uključenih u ravnotežu umjetno poveća, reakcija prilaravnotežni sustav tako da minimizira povećanje.
gođava
100
Kemija u 24 lekcije
.
-
Ravnotežni sustavi
Na položaj ravnoteže može djelovati:
a) promjena koncent racije:
A + B B t
C
->
t
~
Povećanje koncentracije reah.rtanata (i smanjenje koncentracije produkata pomiču ravnotežu udesno, tj. prema produktima).
b) promjena temperature: Pri za rri ·avanju egzotennnib reakcija (u njima se energija oslobađa) ravnoteža će se pomicati u smjeru reaktanata jer se energtJa u tom smJeru tro 1. a enJern ce se poveemt iskorištenje egzotermne reakcije, tj. ravnoteža se pomiče prema produktima. Zagrijavanjem će se povećati iskorištenje endotermne reakcije tj. ravnoteža se pomiče prema Jllil=.. duktima. Utjecaj temperature na pomak ravnoteže: Hlađenje
Reakcija
egzolermna liH < O
~
endotermna ~ H > O
~ prema
Zai.:rijavanjc i T
t 11
prema produktima reaktantima
~
prema reaktantima
~
prema produktima \
c) promjena tlaka: Promjena tlaka utječe na pomak ravnoteže u reakcijskoj smjesi plinova. Povećanje tlaka u reakcijskoj smjesi pogoduje onom smjeru reakcije koji dovodi do smanjenja ukupnog broja čestica. Obratno, smanjenje tlaka pogoduje onom smjeru reakcije koji dovodi do povećanja broja čestica. ako se broj čestica reakcijom smanjuje Reaktanti -
-
--+
Produkti
ako se broj čestica reakcijom povećav a
3H2 (gJ + N 2 (gJ 3+ 1=4
2
S povećanjem tlaka ravnoteža će se pomicati u smjeru produkata (tamo je manji broj tj. 2, a kod reaktanata je veći broj čestica tj. 4).
čestica
Kemija u 24 lekcije
1O1
9. Brzina i ravnoteža kemijskih reakcija
u] u] l) 2V
4V
2)
DJ
+
H1
OJ
u] u]
Cl2
2 HCI
2V
CTI DJ 3)
2l::l20
2V
2V
LJ] u]
+
4 V>2V
-+
2V = 2V
O
2V<3V
.-
DJ 02
21-12 3V
Dodatak katalizatora ne u tječe na pomak kemijske ravnoteže, već se ravnoteža sam o brže usposta.vlj a..
102
Kemija u 24 lekcije
9, lekcija: Zadatci
I
. .
9. lekcija ·
I
•
.1:_ Kako povećanje tlaka utječe na pomak ravnoteže sljedećih reakcija? a) 2C0 2 (g)+±2CO(g/ 0 2 (gJ h) N 2
L
Odredi u kojem
će
c) Sits/2C\2 (g) +± SiC\4
se smjeru pomicati ravnoteža ako se poveća volumen ravnotežne
smjese: S iF4 (g) + 2H2 0 (g) <-> Si02 (s) + 4HF(gr
3. Odredi kako će na pomak ravnoteže reakcije 2H2 M + 0 2 (g) ~ 2H2 0 (")' t::.,.H =-487,9 kJ/mol utjecati sljedeće promjene: " a) povišenje temperature b) sniženje tlaka c) dovođenje vodika ci) odvodenje kisika. ~ Odredi kako na koncentraciju NI-I4+(aq) u reakciji NH4 N0 3 (s)
!::.H = - 26,2 kJ/mol
utječe
~
promjena uvjeta:
NH4 +(aq) + N03 - (aq)'
a) povišenje temperature b) smanjenje koncentracije NC\c) dodatak katalizatora.
L
L
Reakcijska smjesa sadrži više produkata ako je: a) reakcija egzotermna
b) konstanta ravnoteže veća
c) konstanta ravnoteže manja
d) tlak reakcije povišcn
U posudu volumena 1 L stav ljeno je 0,025 mola vodika i 0,025 mola jod a, a nakon uspostave ravnoteže je nastalo 0,04 mola Hl. Odredi konstantu ravnoteže.
L_ Kolika je ravnotežna koncentracija PC15 ako u ravnoteži imamo 2,96 g PCJi i 11 ,2 g C12 u posudi volumena 2 L?
L L
Prikaži c1težom sljedeće reakcije: a) 3A + B---+ 2C
b) 2A ---+ 2B + 3C.
Za reakciju 2X(g) + Y (g) +± 2 Z(g)' li„H < O odredi pomak ravnoteže s obzirom na: a) dovođenje topline b) povećanje tlaka.
10. Napiši izraz za konstantu ravnoteže za sljedeće promjene: b) 2PbS(sl + 302 (gl ~ 2 Pb0(s) + 2S0 2 (gr
.11:. Odredi kakav će u~jecaj imati na ravnotežu i koncentraciju klora slj edeći postupci: PCl5 (gl ~ PC13 (g) + Cl 2 Cgl a) povećanje koncentracije PCL:, ---+
i
b) povećanje tlaka
c) sniženje tlaka
i
d)
-
odvođenje
iz reakcije PCl3 Kemija u 24 lekcije
-
.
-
-~
.-
~
9: Brzina i ravnoteža kemijskih reakcija 12. U zatvorenoj epruveti u ravnoteži su molekule monomera i. dimera plinovite tvari A. Sadržaj epruvete bit će obojen ili bezbojan ovisno o tome je li više monomera ili dim era. a) Jesu li epruveta i njen sadržaj izolirani, zatvoreni ili otvoreni sustav? b) ~avno~~žu u .toj epruveti možemo prikazati: 2A(g) ;:.:± A 2 (g)' ti„ H < O. Čemu pogoduje zagnJavanJe sustava? c) Je li nastajanje dimera egzotennna ili endotennna promjena? d) Napiši izraz za konstantu ravnoteže reakcije nastajanja molekula A? pomoću parcijalnih tlakova. e) Hoće li povećanje tlaka u epruveti pogodovati nastanku dimera ili njihovu raspadu? Objasnite.
j_b Amonijak se dobiva. sintezom iz elemenata uz katalizator. a) Napiši jednadžbu dobivanja amonijaka. b) Kako će na pomak ravnoteže utjecati povećanje tlaka? c) Napiši izraz za konstantu ravnoteže izraženu s pomoću parcijalnih tlakova d) Kc za reakciju dobivanja amonijaka iznosi Kc = 2,53 · 10-3 moJ-2 dm 6 pri 700 °C. Kolika je ravnotežna koncentracija amonijaka ako je u stanju ravnoteže koncentracija dušika 2 mol/dm3 i vodika 3 mol/dm3? e) Nacrtaj Lewisovu st,ukturu amonijeva iona. c 1--.-,---H++H+-, +--H--"-H·- -H--Hrif) Kakve je prostorne građe, prema VSEPR-teoiiji, amonijev ion? 14. Crtež desno prikazuje ovisnost koncentracije četiriju tvari u reakcijskoj smjesi stalna volumena o vremenu t. Napišite jednadžbu reakcije.
15. Na dijagramu je prikazana promjena množinske koncentracije pet tvari u nekoj reakciji uz konstantan volumen. C
5. 4
~----D
2 ~~~~~~~~~~~~~~~- C
BA 2 3 4
6 7
8
9 10 I I i°2 (3 14 tih
a) Koristeći se dijagramom napiši jednadžbu. b) Koji je naziv za tvar E koja ubrzava reakciju i izlazi nepromijenjena? 16. U nekoj reakciji koncentracija reaktanta A promijeni se u 125 sekundi s 1,2 mol/dm3 na 0,75 mol/ dm 3 . Kolika je brzina reakcije?
104
Kemija u 24 lekcije
-
...
~~~~
~ -
10.
lekcija
~---
-----
10. Kiseline, baze i soli U svakodnevnom životu se susrećemo s pojmovima kiselosti, lužnatosti i soli te ih stoga najprije treba definirati.
IKiseline i baze Tablica I. Tri teorije kiselina i baza
Kiselina
Baza
Sve tvari koje u vodenoj otopini povećavaju koncentraciju
Sve tvari koje u vodenoj otopini povećavaju koncentraciju
oksonijevih iona KO+(· , ~)
hidroksidnih iona (OH-(·~))
HC\aql + H20< 1) - ~O\q) + c1-(aq) NaOHCn
- Na\ aq}+01-1-( aqJ
-
Sve tvari koje mogu dati proton ( proton-donori)
Sve tvari koje mogu primiti proton (poton-akceptori)
NH3(gl + H 20 Ct) - NH~(aql + OH-(aq) baza kiselina
Sve tvari koje mogu dati par elektrona ( elektron-donor)
Sve tvari koje mogu primiti par elektrona ( elektron-akceptor)
I
I
H - N:
Primjer
H
F
H
B -
I FI
H
baza
F
-
H-
F
I I I I H F
N-B -
F
kiselina
Kisela svo jstva imaju: oksidi nemetala, oksidi prijelaznih metala u najvišem oksidagjskom broj.!L_ Bazična svojstva imaju: oksidi, hidroksidi i karbonati metala, oksidi P.Ji jelaznih metala u najnjžem oksidacijskom broju. S. Arrbenius je kiseline i baze definirao kao tv ari koje disociraju u vodenim otopinama. Donorsko-akceptorski model neovisno jedan o drugom predložili su Bn:msted i Lowry. Prema njima kiseline su tvari koje daju protone, a baze tvari koje primaju protone. ~ jihova definicija odnosi se na različi ta agregacijska stanja. Lewis je definirao čestice koje u kovalentnoj vezi daju elektron (elektron-donon) bazama, a one koje primaju elektron (ele.k'iron-akceptori) kiselinama. Svaka kiselina, prema Bremstedu., ima konjugiranu bazu, koja nastaje gubitkom protona isval
106
Kemija u 24 lekcije
.. -
Kiseline i baze
l'
+H'
kiselina I + baza I ~ kiselina 2 + baza 2
,+.
+1-1-
Dobivan_je kiselina:
Inemetalni oksid+ ~ o I-+ Ikiselina HA I
+ H,O
H,-> o+< aq) + A - (·,lq)
(ionizacija) :>,
Dobivanje lužina:
oksonijev ion
+ H.,O - - --
- - (disocifacija)
Imetalni oksid + H, O j-+ Ihidroksid BOH I-----'>
B+ ·
(nct)
+011(aq)
hidroksidni ion
Lužine su vodene otopine hidroksida. Lužine grade samo bidroksidi metala I. i
JI. skupine. Znači da postoji magnezijev hidroksid i magnezijeva lužina dok npr. postoj i samo aluminijev hidroksid, ali ne i aluminijeva lužina. Sve hidrokside čine_Rozitivni metalni ion i negativna hidroksidna skupina. Tablica 2. Svojstva hidroksida
•• natrijev hidroksid
OW
•
t
NaOH
Na+
kalcijev hidroksid
Ca(OH) 2
Ca2+
20H-
kalijev hidroksid
KOH
Ka-
ow
magnezijev hidroksid
Mg(OH\
Mo2+ o
20W
:}§jilllf:"" jj~
željezov(Ill) hidroksid
Fe{OH\
Fe3+
3 OH-
netopljiv
bakrov(ll) hidroksid
Cu(OH)z
Cu2 +
20W
netopljiv
/ metalni. atom (kation)
Dokazivanje lužina
topljiv topljiv
dj elomično
~g]jiv
- u dobivenoj otopini feno lftalein pokazuje purpurnu boju - crveni lakmusov papir poplavi - otopina bromtimolplavog ostane plava
""
hidroksidna skupina (anion)
Stavimo li topljivi hidroksid u vodu, dolazi do disocijacije: NaOH(s) - Na\q) +
OH- (aq)
Osim otapanj em hidroksida u vodi lužine mogu nastati i reakcijom metala ili metalnih oksida s vodom . Tako npr. vrlo reaktivni metali i njihovi oksidi (I. skupina) reagiraju s vodom, a nastaje lužina i plin vodik.
2Na + 2H2 0 c1>- 2N aOH(aq) + H2 (g) Na20 (s) + H 20 01 - 2NaDH(aq) Kemija u 24 lekcije
107
10. Kiseline, baze i soli Ionizacija (disocijacija) kiselina ~iseline u vodi disocu:~ju n~ ~~0" (ag) i ki~eli~~ki .ostatak. ~udući d~ su.kis~line sastavlJene od molekula, za n11h se cesce kaze da 1omzrra1u za razliku od soh ko1e d1socrra1u j.er su građene od iona. Ako kiselina spada u jednoprotonske kiseline (npr. HCI) tada ionizira u jednom stupnju~akoje-(h,oprotonska, tada ionizira u dva stupn.1a (ofpušta Jeđan po jedan vodik), a npr. kod fosfatne kiseline ionizacija se događa u tn stupnja jer kiselina sadrži tri vodika. Jake kiseline su jaki elektroliti jer potpuno disociraju, a slabe kiseline su slabi elektroliti. Jednadžba jake kiseline označava se jednom strelicom (-+), a nepotpuna ionizacija dvjema strelicama(+=). 1
Disocijacija sumporne kiseline: H 2S04(I) + H 20 (1) -+ H3 0 +(aq) + HS04-(a(i)
hidrogensulfatni ion
HS04- (aq) + H 20<1>-+ H30 \ q) + So/-(aq)
sulfatni ion
• +H-
HS04-(aq) - amfoterni ion HS04-Caq)
<•q>
1-w„
H 2S04CIJ - konjugirana kiselina
SO42-(aq) - konjugirana baza O
Konstanta ionizacije kiselina K, ne ovisi o koncentraciji reaktanata i produkata već . a ~temperatun. K > I 03 mol/L
.a
I 0-2
vrlo jake .kiseline
mol/L > K > mol/L 7 mol/L > Ka> I o- mol/L -
jake kiseline
10-2 10-1
mol/L > K
vrlo slabe kiseline
I 03
-
a
slabe kiseline
S.ni panj ionizacije a je mjera za jakost kiseline (vrijednost (O, l) ili (O%, 100 %)). a
broj ioniziranih molekula ukupan broj molekula
I 00 % disocirane kiseline ::::;,
a
= l
Podjela kiselina i lužina prema jakosti - ,u..~A-e.. ~~\JS
·. ·
o-
0 ~~\-
Jakost kiselina najviše određuju polarnost H-A veze te radijus atoma. Što je razlika u elektrouegativnosti veća, zajednički elektronski par više se pomiče prema elektronegativnijem atomu pa to omogućuje lakše odcjepljenje protona. Kod npr. halogenih elemenata raste radijus od fluora prema jodu što znači da se jakost veze H-X smanjuje pa je najslabija HF, jača je HCI, HBr, dok je HI najjača.
108
Kemija u 24 lekcije
p
o R A
s
T J A
K
p
Jake kiseline a = I
HC10 4 HI HBr H2so. HCI HN0 3
o
perkloratna jodidna bromidna sulfatua (sumporna) kloridna (klorovodična) nitratna (dušična)
o s
Slabe kiseline I >a > O.O I
T l
H2S01 H3P04
K I
HF
s
E L
1 N A
s
T
sulfih1a (sumporasta) fosfatna (fosforna) tluoridna
lužine metala 1. i 2. skupine
J Srednje j ake lužine 1 > ex > 0,0 I
s
Mg(OH)2
T I L
~
etanska (octena) karbonatna (ugljična) sulfidna cijanidna
.lake lužine a = I
A K
o
Vrlo slabe kiseline r.t. < 0,0 1 CH3 COOH H 2C0 3 H2S HCN
R
A
Slabe lužine a < 0,01
NH.OH
I N
A
Ionski produkt vode U čistoj vodi uvijek ima nešto oksonijevih i hidroksidnih iona. Ionizaciju molekula vode prikazujemo: 2H2 0
(l) +-+
H30
\ q)
+ OH- (aq) odnosno H2 0 (1) +-+ W(aq) + O H - (aq)
Ionizacijom vode nastaje jednak broj oksonijevih i hidroksidnih iona a ie voda neutralna. Vo 1 ov ion l-f" ne postoji u vodi samostalno jer privlači molekulu vode i veže se s njom kovalentnom vezom gradeći oksonijev ion H 30+(ima oblik trigonske pirami-
de i nositelj je kiselih svojstava).
Pri 25 °C množinska koncentracija vodikovih i hidroksidnih iona je:
c(W) = c(OW) = 1 · 10- 7 mol/dm3
(H+][oH- ] [H20] Ki ·[H2 0] =(H+]-[0H-] Kw=[ff~]· [oH-]
;\-A~
y
1',. \\
:=-
~ \J
I
{T ,) "
' I
IO
t
/( o
Ki
Kw =10-14 mol2 dm- 6
[H+] =[ott-] Kw =(H+]2 [H+] = .JK:" = .J10-14
pri 25 °C
mol2 dm- 6
U svim vodenim otopinama umnožak koncentracija vodikovih (oksonijevih) i hidroksidnih iona pri 25 °C je 1,0 · 10- 14 mo1 2 dm- 6 . To je ionski produkt vode, Kw.
= 10-7 mol dm- 3
Kemija u 24 lekcije
109
110. Kiseline, baze i soli pH vrijednost
[H+]
kisele otopine
[H"•] > 10- 7 mol dm-3 pH<7
pKW= pH + pOH = 14
neutralne otopine
[J-r] =10- 7 mol dm-3
pH=7
c(W) = 10-pH mol dm-3
bazične
[W]
pH>7
pH = - log
mol dm- 3
otopine
c(OH-) = 10-roJJ mol dm- 3 pOH =-log [oH-] mol dm- 3 pH vrijednost je uvedena za lakše računanje. Koristi se i pOH vrijednost. Ljestvica pH vrijednosti:
o
pH
c(H+)/mol dm"3 10° 10·
4
3
2 1
I0·
2
10-
3
5
10'"" 10·
7
6 5
8
l.. 7
10-6 10-
jako kiselo ............................. kiselo .....
9
10-s 10·
10 9
rn·
10
12
11 10-
11
10·
12
13
10·
13
14 10-
14
bazično ......... ............... jako bazično
neutrnlno
Jake kiseline i baze u vodi disociraju gotovo potpuno pa je koncentracija H+ iona jednaka koncentraci.ii jake kiseline, a koncentracija 01-1- iona je jednaka koncentraciji .iake baze. Kod dihidroksidnih baza (Ba(OH) 2) koncentracija OH- je dvostruko veća od koncentracije baze.
c (H+) = c (jake kiseline) C (J·I+)
= 2 C (H2S04)
c(H+) = c (HCl) (kiselina sadrži jedan vodik)
(jer su u molekuli kiseline dva vodika)
c (OW) = c (jake baze)
c (OW) = c (NaOH)
c (OW) = 2 c (Ca(OH)2)
(jer su dvije OW skupine)
Za slabe kiseline i baze karakteristično je da slabo disoci.raju u vodi. Stoga c (H+) iona nije jednaka koncentraciji kiseline, odnosno koncentracija OH- iona nije jednaka koncentraciji baze (primjer izračuna pokazanje u zadatcima), a pH se računa s pomoću konstante ionizacije kiseline, odnosno baze. Indikatori su prirodne ili sintetičke tvari koje mijenjaju boju ovisno o pH otopine. Prema kemijskim svojstvima većina indikatora su slabe kiseline ili slabe baze. Primjeri nekih od indikatora: crveni lakmus papir koji u dodiru s lužinom poplavi, p~:!_ lakmus papir koji u dodiru s kiselinom pocrveni, fenolftalein je u kiseloj otopini bezbojan, a u bazičnoj purpurne boje, metiloranž, univerzalni indikator, otopma indikatora iz crvenog kupusa koja je u kiseloj otopini ružičaste boje, u neutralnoj ljubičaste, a u lužnatoj žuto-zelene ili plave. Karakteristične boje indikatora i pH vrijednost pri kojoj se mijenja boja:
11 O
Kemija u 24 lekcije
Soli
U kiselo.i otopini
Indikator
U lužnatoj otopini
Približan pH
metiloranž
crvenkast
4
žut
metilcrveno
crven
5
žut
lakmus papir
crven
7
plav
fenolftalein
bezbojan
9
crvenoljubičast (purpurni)
7
plav
bromtimolplavo žut
~
Soli su ionski spojevi kristalne građe u kojima kation čini ion metala ili amonijev ion, a anion je kiselinski ostatak. Tališta soli su visoka, a ovise o jakosti sila kojim se privlače ioni u ionskoj strukturi. Soli u čvrstom stanju su izolator, dok taline i vodene otopine soli provode struj.u. Postupci dobivan.ia soli
metal+ nemetal---+ sol
Fe(s) + S(s) ---+ FeS(s) Mg(s)
metalni oksid+ kiselina---+ sol+ voda
+ H 2 S04 (aq) ---+MgS0,1 (aq) + Bp(l)
CuO(s) + 2HN03 (aq) ---+Cu(NO~\ (aq) + H20 (1} KOH(aq) + HCl(aq) ---+KCl(aq) + H 20 (1)
baza + kiselina---+ sol + voda sol l + sol 2---+ sol 3 + sol 4 __::::..;;;:::..._
AgN0 3 (aq) + KCJ (acl) ---+ AgCl(aqJ +KN0 3 (aq) C02 + Ca(OH) 2 ---+ CaC03 + I-IpCll
Neutralizacija: kiselina+ baza= sol+ voda. Prema Arrheniusovoj teoriji neutralizacija je međusobna reakcija iona Hp\ ) i OW< aq> pri čemu nastaje voda. Npr. q NaOH(aq) + HC\aq)-> NaC\aq) + H 20
(t)
u ionskom obliku: Na\qJ + OH-(aq) + H 30\q) + c1-(aq)
->
Na\q) + c1-{aq) + 2I-120 (1)
Ako iz reakcije izostavimo istovrsne ione lijevo i desno, tada nam se neutraljzacija može svesti na: OH-(aqJ + Hp\q) - 2 H 2 0(t) Neutralizacija je brza, ionska, egzotennna reakcija. Reakcija neutralizacije se primjenjttje kod postupka titracije. Topljivost soli definiramo masom tvari, iskazanom u gramima, koja se na određenoj temperaturi može otopiti u 100 g otapala. Topljivost soli ovisi o vrsti tvari, vrsti otapala, temperaturi. Većina soli je bolje topljiva na povišenoj temperaturi. Kemija u 24 lekcije
.
- --
-
-
--
111
10. Kiseline, baze i soli
Topljive soli
Iz uzetak, nis u topljh i
natrijeve, amonijeve, kalijeve fluoridi
MgF 2, MgCaF 2 , SrF2 , BaF2 , PbF2
kloridi
AgCl, H~Cl 2; PbC~je topljiv u
bromidi
AgBr, PbBr2, H~Br2
jodidi
Mnogi jodidi teških metala BaSO4 , PbSO4 , HgSO4 , srednje: CaSO4 , SrSO4
sulfati
vrućoj
vodi
nitrati sulfidi-samo natrijevi, kalijevi, magnezijevi i amonijev sulfid karbonati fosfati: amonijev, natrijevi kalijev
Svi ostali su netopljivi Svi ostali su netopljivi
Hidroliza soli Hidroliza soli je reakcija u kojoj sudjeluju anioni koji potječu od slabih kiselina ili kationi slabih baza s molekulama vode. Vodene otopine soli mogu reagirati neutralno, bazično i kiselo. Vodene otopine soli: , a) jaka kiselina+ slaba baza = kiselo b) jaka baza + slaba kiselina = lužnato (bazično) c) jaka kiselina+ jaka baza = neutralno [ d) slaba kiselina + slaba baza = neutralno Iz navedenog vidimo da nisu sve vodene otopine soli neutralne, iako soli nastaju neutralizacijom (važno je uočiti je li ta sol nastala od slabe ili jake kiseline i slabe ili jake baze).
a) Soli jakih kiselina sa slabim bazama daju, zbog hidrolize, kisele vodene otopine disocijacija: NH 4 Cl(s) ~ NH/{aq) + c1-(aq) lć"'">A
NH4 0H HCI (slaba baza) (jaka kiselina)
ion koji potječe iz slabe kiseline ili slabe baze reagira s vodom
hidroliza: NH/(aq) + H2 0 ~ NH3 (aq) + H30\q) Objašnjenje: sol amonijev klorid je sol slabe baze (NHpH) i jake kiseline (HCI), s vodom će reagirati ion koji dolazi iz slabe baze (NH4+), daje jedan proton vodi i nastaje amo~ija~ i koji je odgovoran z~ kise!a svojstv~ otopine ove soli. Nastali amontJak Je slaba baza pa uglavnom u vodi ostaJe ned1sociran.
ttp\,q)
b) Soli jakih baza sa slabim kiselinama daju, zbog hidrolize, bazične vodene otopine. disocijacija: CH3COONa(s) ~ CH3COO-(aq) + Na\ ,q> y "' CH3COOH NaOH (slaba kiselina) (jaka baza) hidroliza: CH3Coo-(aq) + Hp(I) ~ CH3COOH(aq) + OH-(aq)
112
Kemija u 24 lekcije
Soli Etanska kiselina je slaba kiselina i zato etanoat ion reagira s vodom, dok je natrijeva lužina jaka, pa natrijev ion ne reagira s vodom. Hidroksidni ion koji nastaje je odgovoran za lužnatost otopine ove soli.
c) Otopine soli jakih kiselina i jakih baza reagiraju neutralno. disocijacija: NaCI(s) ~ Na\ ql + c1-(aq)
v
NaOH (jaka baza)
pJ-1=7
",i
HCl (jaka kiselina)
l natrijeva lužina i kloridna kiselina su jake kiseline pa s vodom neće reagirati niti natrijev, niti kloridni ion iz soli.
d) Otopine soli slabih kiselina i slabih baza reagiraju neutralno. Amonijev acetat CH3COONH 4 ---+ CH3Coo- + NH/
v
CH3 COOH (slaba kiselina) NH/(.iq)
",i
NH40H (slaba baza)
+ H 20CI) ~ NH3(aq) + H30\aq)
CH3 Coo-(aq) + Hp(t) ~ CH3COOH(av + OH-(aq) Budući da oba iona potječu iz slabe kiseline ili slabe baze oba reagiraju s vodom.
Reakcijom hidrolize nastaju slabo ionizirana kiselina i slabo ionizirana baza, dok ioni OH- i Hp+ daju neutralnu vodu. Puferi su sustavi koji mo~u održati ~otovo nepromijenjenu pH vrijednost dodatkom određene količine jake baze ili kiseline, to su slabe kiseline i njihove soli (kiseli pufer}
~li slabe baze i soli (b~zični pufer). Imaju svoj kapacitet. Mehanizam djelovanja pufera se temelji na učinku zajedničkog iona. Primjer kiselog puferaje acetatni pufer (smjesa octene kiseline i natrijeva acetata, disocira u vodi): cH3c ooH +:± CHFoo- + tt+ CH3COONa .::± CH3Coo- + Na+ a) Dodatkom jake kiseline, npr. HCl, pH se ne mijenja jer HCl reagira s CKCOONa o dajući octenu kiselinu i neutralnu sol NaCl. CH COONa .::± CH Coo- + Na+ 3
+
3
tf' .::± CH3COOH + Na+ b) Dodatkom jake baze, npr. NaOH, pH se također ne mijenja. CH3COONa .::± CH3COO- + Na+ CH3COOH .::± CKCoo-+ ti+
+
"
Kemija u 24 lekcije
113
10. Kiseline, baze i soli
. . . .---------+----------------------------------------------------------------------------
Zadatci
10. lekcija
L
Ako je koncentracija oksonijeva iona 2,4 · 10-3 mol/dm3 odredi kakva j e to otopina.
L
Odredi pH, pOH i c(OH-) otopine u kojoj je koncentracija oksonij evih iona
,
izračunaj pH otopine i
10-8 mol/dm 3. ~ Ako j e koncentracija otopine kloridne kiseline 0,25 mol/dm3, odredi pH. ~ Ako je pH neke otopine:
a) 5;
b) 4,6
odredi pOH , c(I\ O+), c(OI·r-).
~ Pri 25 °C pH vrijednost vodene otopine neke tvari je 4. Koja od navedenih vrijednosti
množinskib koncentracija hidroksidnih iona odgovara toj vrijednosti:
~
a) c(OI·i-) =10-8 mo l/dm3
b) c(OI-r) = 10-9 mol/dm3
c) c(OH -) = 10- 10 mol/dm 3
d} c(OH -) = 10-4 mol/dm 3?
Kol iki je pH vodene otopine natrijeva hidroksida ako je otopina pripremljena otapanj em 2,5 g NaOH u 500 mi otopine?
L__ Kad se pH otopine promijeni od 3 na 7, koncentracija oksonijevih iona se: a) poveća dvostruko
c)
četiri
e)
poveća
b) smanji na pola
puta se smanj i so IO000 puta
d)
četiri
puta se
poveća
f) smanji se I O000 pura.
~ U otopini octene kiseline koncentracije 0,2 mol/dm 3 odredi koncentraciju oksonijevih i acetatnih iona. Konstanta ionizacije octene kiseline je 1,8 · I 0- 5 mol/dm 3. Koliki j oj j e p H? ~
Zašto su karoonati "topljivi" u kloridnoj kiselini? Objasni reakciju mramora i kloridne kiseline.
~ .Prikaži disocijaciju s lj edećih kiselina:
a) H 2C03 b) H3P0 4 Prikaži,disocij aciju sljedećih baza:
b) Al(OH)3 a) Ca(OH) 2 1L Poredaj kiseline po jakosti:
c) HCN.
c) Fe{OH) 3.
a) HC104 , .l::lC102 , HCI0 3 i HCJO 12. Prikaži disocijaciju fosfatne kiseline.
i!_ Koj a će od naved.eni h tvari otapanjem u vodi dati kiselu otopinu? a) C0 2
114
Kemija u 24 lekcije
b) Ar
c) NH 3
d) CH4
19, l~kcija: Zadatci 14. Koja je od vodenih otopina soli najkiselija? b) NaN0
a) NaCl
c) NH4 Cl
2
15. Za otopinu kloridne kiseline koncentracije 0,001 rnol/dm3 točna je tvrdnja: 3 a) sadrži 10- 12 mola oH- iona u dm3 b) sadrži 10- 11 mola Off- iona . ' u dm c)pH = l
d)pOH = 3.
16. U reakciji 2 mola nat1ijeva hidroksida i 1 mola sulfatne kiseline nastaje: a) I mol vode
b) 2 mola vode
c) 3 mola vode
d) 2 mola soli.
17. pHje veći od 7 u vodenoj otopini:
18. Spoj strnkture Pb(CH3COO\ je: a) ester
b) sol
c) nastao iz oksalne kiseline
d) aminokiselina.
19. Maseni udio kisika u fosfatnoj kiselini je: a) 65,3 %
d) 59,4 %.
c) 63 %
b) 56,8 %
20. Neka vodena otopina ljubičaste boje sadrži fenolftalein. Boju otopine možemo promijeniti dodatkom: b) Hp
a) NaCl
d) HCI.
c) NaOH
21. Kolika je množinska koncentracija otopine natrijev a hidroksida ako se 25 mi te otopine neutralizira s 50 mi klorovodične kiseline koncentracije 0,2 mol/dm3? NaOH + 1-ICI---+ NaCl + Hp.
22. Navedi imena solima:
23. Za svaki od triju slučajeva odredi jaču Bnmsted-Low1yjevu bazu: a) HS0
3
ili HS0
b)
4
So/ - ili Po/-
c) 0 2- ili
S2~
24. Popuni tablicu: a)
Tvar
co.,2-
Konjugirnna kiselina b) Tvar
. 25. a) Prikaži reakcije metalnih oksida kalcija i magnezija sa stehiometrijskom nom vode koj6m nastaju hidroksidi.
količi-
·
Kemija u 24.lekcije
---
--
\ 115
10. Kiseline, baze i soH
I
b) Nastalim hidroks idima dodane je vode u suvišku, nastale su lužine. Prikaži reakcije jednadžbom.
26. Jednadžbom prikaži kad se dihidrogen fosfat ion ponaša kao baza i kao kiselina. 27. Uzeto je 25 ml otopine KOH množinske koncentracije 5 mol/Li nadopunjene vodom do oznake 2000 mi u odmjemoj tikvici. Odredi pH te otopine.
a) 10,8
c) 8,6
b) 11,5
d) 12,8.
28. Na crtu pored Br0nsted-Lowryjeve konjugirane kiseline upiši odgovarajuće slovo uz konjugiranu bazu. Dvije baze su višak. d)NH3
NH + 4
--
29. Kolika je pH vrijednost otopine dobivene otapanjem 0,3 7 g Ca(OH)2 (s) u vodi ako je ukupni volumen otopine 5 L?
b) 8,4
a) 9,4
d) I 0,4.
c) 11,4
30. Koje su jedinke u kemijskoj reakciji Bnmsted-Lowryjeve konjugirane baze? CN- +Hz°---+HCN + OW b
a)HCNiOW
k
b)Cff iHCN
kk
kb
c)Hz° iHCN
d)CWi OW.
31. U epruvetama A, B i C nalaze se otopine natrijeva klorida, sumporne kiseline i kalijeva hidroklorida. U epruvete je dodane malo otopine metiloranža. U epruveti A indikator je promijenio boju u crvenu, u epruveti B nije bilo promjene boje, a u eprnveti C je požutio. a) Kojaje tekućina u epruveti A? b) Pomiješan je sadržaj epruveta A i C te je nastala kemijska reakcija. Prikaži je i označi agregacijska stanja. c) Otopina koja je nastala u zadatku pod b) prelivena je u čašu i elektrolizirana upotrebom grafitnih elektroda. Što se moglo vidjeti tijek om elektrolize na elektrodama? d) Napiši jednadžbe elektrolize.
32. N a stolu su 3 epruvete A, B i C i u njima su otopine:
aOH
VI cm c/
3
moldm- 3
4,5
3,5
1,5
1,5 · 10-6
2,5 · 10-6
1,5 · 10-6
Njihov sadržaj je pomiješan i dolazi do kemijske reakcije. Kolika je pH otopine nakon miješanja?
33. Koji je puterski sustav najvažniji u održavanju pH krvi?
116
Kemija u 24 lekciie
II.
lekcija
11. Redukcijska-oksidacijski procesi
I
IOksidacija i redukcija Redukcijsko-oksidacijskj procesi ili redoks-procesi su procesi pri kojima _dola.zi do prijenosa elektrona s jedne vrste jedinki (atom, ion ili molekula)!Ja drugu vrstu. """_Oksidacija je proces otpuštanja elektrona, a jedit1ka koja otpušta elektrone se oksidira. ,Redulcči,,afeproces primanTaelektrona. Jeoinka koja prima elektrone se reaucira. Procesi oksidacije i redukcije događaju se istovremeno i broj ukupno otpuštenih elektrona treba biti jednak broju ukupno primljenih elektrona. Redukcijsko sredstvo (reducens) otpušta elektrone (sebe oksidira), ali omogućuje cg1.tgoj jedinki da plimi te elektrone i da se reducir?. Oksidacijsko sredstvo (oksidans) prima elektrone (sebe reducira), ali omogućuje ~rngoj jedinkiaaotpusti elektrone tj. da se OKSlO~ Redoks-reakcije prikazujemo jednadžbama koje trebaju biti i ~jednačene. Najprije napišemo u disoci.ranom obliku kiseline, soli i Južine. Iznad pojedine jedinke napišemo oksidacijske brojeve te uočimo tvar koja je otpuštala i tvar koja je primala elektrone.Njih pišemo u parcijalnim jednadžbama oksidacije i redukcije.
IOksidacijski broj Oksidacijski broj je broj elementarnih naboja što bi ih imao atom u molekuli kada bi svi elektroni koji grade kemijsku vezu pripadali elektronegativn ijem atomu. Označavamo ga brojem koji pišemo iznad simbola atoma, a može biti pozitivan, negativan ili nula.
Pravila za
određivanje
oksidacijskih brojeva:
1. Oksidacijski broj atoma i molekula elemenata je O.
o
o
o
Na, 02, Ss. 2. Oksidacijski broj vodika je 1 u svim spojevima osim u metalnim hidridima gdje je -I. l
I
-I
-I
HCI, J-b S04, NaH, MgH2 .
3. Oksidacijski broj kisika je -II u svim spojevima, a u peroksidima je -T. - TI
- ll
-1
H2 O, H2S04 , H202. 4. Oksidacijskj broj atoma elemenata l. skupine u spojevima je I, a atoma 2. skupine je 11. I TI alkalijskih metala - Na+ zemnoaikalijskih metala - Mg 2+ 5. Zbroj oksidacijskih brojeva atoma u molekuli je O. l
Vl - U
H2 S 04 1· 2~- 6 - 2·4 = O
118
Kemija u 24 lekcije
I V-O
HN03 1+ 5-2·3=0
Pravila za izjednačavanje redoks jednadžbi 6. Oksidacijski broj jednostavnog iona jednak je nabojnom broju iona . 1 n
Na + , M g-?+ .
._)f-I
7. Zbroj oksidacijskih brojeva svih atoma u složenom ionu jednak je nabojnom broju tog iona. _;jf/
·
oksidaci.je:
redukcije:
x-x++ e-
y + e- - y-
(l. skupina) x - , x2~+ 2e- (2. skupina)
x-
x3+ +
3e- (Al)
y + 2e->
1-
y + 3e- -
y3-
(17. skupina) (16. s.kupina) (15. skupina)
IPravila za izjednačavanje redoks-jednadžbi Redoks-reakcije najčešće se zbiv,tju u kiselim ili lužnatim otopinama. U takvim reakcijama mogu sudjelovati i voda, H+ ion, te hidroksidni ion. Izjednačavanje redoks-jednadžbi može se sažeti u nekoliko koraka: 1. Napisati zadanu jednadžbu i agregacijska stanja svih sudionika reakcije. 2. Odrediti oksidacijske brojeve. 3. Sudionike reakcije, koji disociraju, napisati u disociranom obliku te označiti koja se čestica oksidira, a koja reducira. 4. Zadanu jednadžbu reakcije razdvojiti u dvije jednadžbe po lureakcije. Jedna predočuje oksidaciju (O), a druga redukciju (R). 5. Izjednač iti svaku polureakciju dodavanjem elektrona. 6. Ujednačiti broj otpuštenih e- u procesu oksidacije s brojem primljenih e- u procesu
redukcije. 7. Zbrojiti obje jednadžbe polureakcija, dokinuti e- i urediti broj drugih jedinki.
8. U kiseloj sredini kisik kod reaktanata oduzima se s pomoću H+ iona i pritom kao produkt nastaje voda. Ako treba dodati kis.ik, onda se to radi u obliku vode, a kao produkt nastaje H 4 ion. 9. U lužnatoj sredini kisik se među reaktantima oduzima dodatkom vode i pritom kao produkt nastaje OH- ion. Ako treba dodati kisik, onda se to radi dodatkom OH- iona, a kao produkt nastaje voda.
Kemija u 24 lekcije
119
11. Redukcijsko-oksidacijski procesi
11 . lekcija
1,_ Odredi oksidacijski broj x. J
X
-2
i~
X
-2
x
a) K 2 C12 0 7
-2
d) Cl03 .
b) Mnoi -
Koje od sljedećih kemijskih jednadžbi prikazuju redoks-reakcije? Odredi u svakoj redoks-jednadžbi oksidacijsko i redukcijske sredstv o. O
-2
I
-I
a) 2Na(s) + 0 2(g) ~ Na 2 0 2 (s) 2
I 4 -2
2
4 ·'
4 -2
I -2
b) Ca(HC03 ) 2 (aq) ~CaC<\s) + C02 (gl +H20 I -I I -2 l O c) H202 (aq) ~ l-120 (I) +-02(g) 1 5 -2
l -1
2
I 5 -2
1 .J
d) AgN 0 3 (aqJ + HBr (aql ~ AgBr (s) + HN03 <~ql O
O
Riješi redoks-reakciju: Na+ Cl2
L
Riješi redoks-reakciju: Mg+ 0 2
L
Riješi redoks-reakciju: Al + 0 2 ~ Al0 3 .
O
~
O
O + l ~I
.
+ I -1
L
O
( I)
NaCl . +2 -2
~
MgO .
<·3 -1 +2 -I
§_,_ Riješi redoks-reakciju: Zn + HCI ~ ZnC12 + H 2 .
L_ Riješi redoks-reakciju : Cu + HN0 3 . - Cu(N03) 2 + N02 + Hp.
L L
Riješi redoks-reakcij u: NaN02 + H2SO4 + K.MnO4 - NaN03 + K2 SO4 + MnSO4 + Hp. Riješi redoks-reakciju: FeCI2 + K2Crp7 + HCI - FeCl3 + KCI + CrC13 + Hp.
10. Riješi redoks-reakciju: Hl + H2S04 -> H2S + 12 + Hp. ~ Riješi redoks-reakciju: FeSO4 + KMnO4 + H 2 SO 4-
Fe/SO 4\ + MnSO 4+ I-SSO4 +HzD. o 12. U reakcij i F e(s) + 3Cl2 (g) ~ F eCJ 3 (s) odredi: a) oksidacijsko sredstvo b) redukcijsko sredstvo c) s koliko elektrona sudjeluje atom reducensa, a s koliko atom oksidansa? d) koliki je ukupan broj otpuštenih, a koliki primljenih elektrona?
13. Odredi oksidacijske brojeve svih atoma u spojevima: KF, HN0 3, S02, CaCOy SO~- , PO!-, Na+, Zn2+. 14. U reakciji sinteze natrijeva klorida iz elemenata odredi redukcijsko i oksidacijsko sredstvo. Što se događa s oksidacijskim brojevima? ~ Što je zajedničko svim redoks-procesima?
120
Kemija u 24 lekcije
I 12.
lekcija
12. Elektrokemijski procesi Proučavajući svojstva otopina uočili smo da one u kojima su ioni provode električnu stTuju. Prolazom istosmjerne struje kroz otopine odvijaju se kemijske reakcije, što ukazuje na postojanje međuovisnosti kemijske i el ektrične energije koju p roučava elektrokemija. ..Sve elektrokemijske reakcije su redoks-procesi. Mogu se zbivati same od sebe (spontane) ili su izazvane djelovanjem istosmjerne elektTične struje (nespootane).
11
'-.
IVoltin niz
Promatrajući PSE uočavamo da su 4/5 elemenata metali, a svi su u čvrstom stanju osim žive. Metale karakterizira njihovo talište, vrelište, gustoća, boja, vodljivost, kemijska reaktivnost. Reaktivuost metala očituje se u sposobnosti oksidacije njegovih atoma. Sve metale ubrajamo u redukcijska sredstva. Jaka redukcijska sredstva su metali koji lako otvustaJu elektrone (npr. zefjezo lilKOol
P,rerna r~aktivnosti u odno~u na vodik metali Sli poredani u elektrokemijski niz ili Voltin niz. Metali koji Sli u nizu iznad (i li lijevo od ako je niz prikazan položeno) vodika s u reaktivniji i to sve više što su od vodika udaljeniji. Metali koji su smješteni u nizu ispod (ili desno od) vodika su inertniji.
smanjuje se rcdukcijsko djelovanje
neplemeniti metali
pleme,iiti
Bakar npr. ne može istisnuti vodik iz HCI. Metali će iz otopina soli izluč i ti sve metale koji su u nizu elemenata pored anih _po re~iktivnosti desno ocl nj ih. Stoga ako imamo npr. tri čaše u kojima je otopina cinkova sulfata i u čaše uronjene pločice magnezija, olova i bakra samo će magnezij kao jači reducens reducirati cinkove ione iz otopine i istisnuti cink, a ostali to ne mogu (nala7.e se u Voltinom nizu desno od cinka!).
IGalvanski članak Galvanski članci su s ustavi u kojima se zbog sponta nih r edoks-reakcija (zbivaju se sa me od sebe!) stvara elekti:iCnastn1ja. Kemijska energija se pretvara u električ1!1!_ čim se elektrode spo]e u električn i krug. -.\ _, ~ ·. ·' Galvanski članak sastoji se od dviju e lektroda, spojenih vodičem, el~Ktrolit; i -elektrolitskog mosta (omogućuj~ pr6tok ionaX Meta] kojijeuronjenu otopinuodgovarajućili ~ maje polučlanak ili elektrod~. U metalnojpločic1 stmju provode e lektr~i. a!!. Qtopini
122
Kemiia u 24 lekoJe
Elektrodni potencijal elektrolita ioni. Elektrolitski most može biti U-cijev ispunjena gelom kojoj je dodana vodena otopina jakog elektrolita (KCl).
>
Anoda (- ) je negativni pol č_!_a~ka .i na njoj se događa_pl§idacij_a . ..
Katoda (+) j_<:iozitivni po~ č~anka i na njoj se doga
>
IElektrodni potencijal Najpoznatiji galvanski članak je Daniellov članak (1835 .), a shematski izgleda: ' ZnlZn-? + (c=l moldm-~) ll Cu 2~· (c = I moldm-·3) \ Cu
C11a (I) je granica elektrode i elektrolita, a dvostruka crta (li) je e lektrolitski most. Dogovorena oznaka galvanskog članka je: anoda \ anodni elektrolit \I katodni elektro.lit \ katoda
t _~
đ..f
Sklonost metala i drugih tvari da oksit\iraju
~·(( ... ·..,....
1l·
--7 ·'-
1-
, lfi
,..\-
~ .. I -
v oltmetar
ili reduciraju mjera je vel ičine elektrodnog po, c e~ e1 tencijala. Od dviju elektroda u galvanskom član- c.Po<. '-' V ku, elektroda koja lakše oksi&ra nižeg je elek- , anoda trodnog potencijala i negativan je pol članka-.- -~,(oksidacija)- . z s_olni most , .
..
. . · ~az.lika potenc1Jala 1zmeđl} elet troda_1e nal!Q!!_
.,
članka, Ečl'
I I · I li
:.
,
'I.: Ečl = Ekatode - E anode'l \ jedinica\ Y (volt)
~n ,~
+ katoda (redL1kcija)
Cu
f-lič+---1-1--1
, ZnS~)4
C~S0 4
!..t leKtroaue .P otend ]ale pojedine"·-ele1ctro--" Zn (s) - > Zn 2" + 2e- Cu'"2-+-+-2e .. -> C u (s) de orueđuJelUO prema stanaarciUO.J VOUlkOVOJ elektrodi. Ona sastoji _oc_!_P-latinske pločic2e Zn(sl I ZnS04
se
.-
Za članak: cink i bakar
E 0(Zn) = - 0,76 V
E 0(Cu) = +0,34 V
Cink ima negativniji E 0 pa je stoga anoda.
Kemija u 24 lekcije
-
---==--=- - ===---
-
.
-
123
j
, ..12. Elekirokemijski procesi
A(- ) Zn---+ Zn 2+ + 2e-
Ečl =
K(+) Cu2+ + 2e---+ Cu
=
Ekatode - Eanode
0,4 V - (0,76 V)w = 1,1 V
Zn I Zn2+ li Cu2+ I Cu
Shema:
Standardni elektrodni potencijali na 25 °C uravnotežena .1>.olureakcija jače
F 2 (g) + 2e-
oksidacijsko H2 0 2 (aq) + 2H\aq) + 2edjelovanje Mn0 4-(aq) + 8H\q) + 5ec~(g)
+ 2e-
-+ 2F(aq)
2,87
-+ 2Hp(l)
1,78
-+ Mn \v + 4H2 0
1,51
-+ 2ci-(aq)
.1 ,36.
2
Cr20 / -(aq) + 14H\q) + 6e- -+ 2cr3·~(aq) + 7H2 O(l)
1,23
0,80
12 (s + 2e-
-+ Agćs) -+ Fe2+(aq) -+ H202 (aq) -+ 21-(aq)
0 2 + 2!:!P(l) + 4e-
-+ 40H-(aq)
0,40
Cu2+(!ig) + 2e-
-+ Cu(s)
0,34
Br2 (!) + 2eAg+.laq)+eFe3+ + e(aq)
0 2 (g) + 2H\ q) + 2e-
1,09
0,77 0,70 0,54
Sn4+(aq) + 2e-
0,15
2H+(aq) + 2e-
o
Pb2+
(aq) + 2eN 1·2+(aq) + 2 e-
-+ Ni (s)
- 0,26
Cd2+ . + 2e(aq)
-+ Cd(s)
- 0,40
Fe2+(aq) + 2e-
-+ Fe (s)
- 0,45
+ 2e-
-+ Zn(s)
-0,76
2Hp(I) + 2e-
-+ H 2Cg) + 20H-(aq)
- 0,83
Al3+(aq) + 3e-
-+ Al(s)
- l ,66
Mg2+
-+ Mg(s)
- 2,37
-+ Na(s)
-2,71
-+
- 3,04
Zn2+
(aq)
+2e(aq) slabije oksidacijsko Na\q) + edjelovanje Li ' (aq) + e-
124
1,33
-+ 2Hi°ci) -+ 2Br-(aq)
0 2 (g) + 4lf\ aq) +4e-
Kemiia u 24 lekcije
slabije redukcijsko djelovanje
-0,13
Li(s)
jače
redukcijsko djelovanje
Elektrokemijski -izvori energije U članku cink-aluminij, cink bi bio katoda a aluminij anoda jer je njegov E 0 negativniji. Prema preporuci IUPAC-a galvanski čl anak u linearnoj notaciji uvijek se piše tako da s lijeve strane pišemo oksidaciju, a zdesna redukciju. Dakle: 2
Zn(s) I Zn - (aq) li Ag- (aq) IAg(s) Pozitivna vrijednost napona članka ukazuje na spontanost reakcije.
IElektrokemijski izvori energije Istraživači su pokušavali otkriti takve galvanske članke koji bi bili trajan izvor električne energije i uz povratnu reakciju mogli se ponovno koristiti. Ćlanci koji se koriste _ kao trajan izvor struje dijele se na neobnovljive (primarne) č lanke ili baterITe i obno~~ (sekunaame} čfanke fliJ!ktunulator.e_ -_ }.:.' • . . - ~ - 'J' "''- ·-" .~-'vr·"!_ .,__ B aterije
;;r ~=~ =-- I•"' -- 1f'Q}~ \t-2.f-~Vj~ '< \ 1
-~t -·--· \ '--
To su najčešći neobnovljivi članci. Prva takva baterija~ Leclancheov ili suhi članak... kojoJje negativnipol čaš ica od legurecinka koja se tijekom rada č l anka oksidira i troši. OsJobođeni elektroni putuju vanjskim strujnim krugom do ugljenog štapića koji je pozitivni pol članka (inertna je elektroda) i djeluje kao prenositelj elektrona. Elektrolit je pasta od cinkova klorida, amonijeva klorida i želatine. Napon tog članka je 1,5 V, a povećat ga možemo serijskim spajanjem više članak a. Redolcš-reakcija u sulwm članku je nepovra tna il
-
c~.}"',, \(,,
't
,".JJ_0r
\r~~..i--•:-r·r~ 3:'- ~'f,e_
1·. . ga1vansk'I c"lanc1. sto " znač"1_1L d Akt,mu_1aton. su ob 11ov1.11v1 se nakon izbijanja mogu ponovno nabiti primjenom vanjskog izvora struje. Kodyunjer_:ija se elektrj~na energija Qretvara u Kemijsku, kod 9-ražnj~j'A se kemijska energija yretvara u cle~tričnu. Njegov kapacitet se iskazu~~Danas su u upo- trebi olovni i nikal-kadn:ijevi akumulatorC_
(S U
,aiiiii=iailljjjiolliiiiiaim
-
a
Pb0
Kod tzv. olovnih akumulatora obje elektrode se oblažu olovnim sulfatom Pb~. Prilikom punjenja slijedom elektrokemijskih reakcija s elektrolitom (razrij eđena sumporna kiselina), na negativnoj elektrodi (katodi) o lovni sulfat prelazi u olovni dioks id (Pb02), a na pozitivnoj elektrodi (anodi) stvara se čisto olovo. Istovremeno, povećava se koncentracija sumporne kiseline (l\SO4). Pri pražnjenju se odvija suprotan proces, stvarajući napon na elektrodama visine oko ~ oces punjenja i-pražnjenja možese-prikazatiizrazom: 1
\
2PbS0 4 + 2H 20
punj~nj~ ) pra'-nJCIIJe
Pb
2
8 280 4 shematski prikaz olovnog akumulatora
PbOz + Pb+ 2H2S04
j'
U automobilima je najčešće napon akumulatora 12 v;šioznačlaaje u njemu serijski povezano 6 članaka. - - -~ _ c_·._ - -- -")(( ':.X '\rJ,~ J ~.J>1.tL E;, "'.,. I~) (1~ I { •
l \ .. -
-..,1
I.._
~
--
~
, f
--.
~
Kemija u 24 lekcije
125
12. Elektrokemijski procesi
Gorivni
članci
Svaki gorivni članak, kao i galvanski~ drži dvij~ elektrode, katalizat.or i zajednički _elektroJih a tvari potrebne za reakciju dovode se izvana. Na anodi gorivo oksidira, a na katodu se dovodi oksidans koji omogućuj e izgaranje, dok pritom sam reducira. - - u gorivnim člancima ke~1ij; ka energija izravno pretvara U električnu energiju, a da pr1l0m gorivo ne izgara. -
se
se
Princip rada gorivnog članka može se najlakše objasniti na dosad najbolje razvijenom sustavu s vodikom kao gorivom i kisikom kao oksidansom. Kada se vodik i kisik u plinskom stanju dovedu u kontakt i aktiviraju, oni reagiraju, spajaju se u vodu i oslobađaju energiju: 2H2 + 0 2 - >2Hp + energija.
IKorozija i zaštita
A
f'\
I-· G
'f'('_~
I
'1 -,,
o
'1
.
'
t-r,,
\
\
_(:'! ~\..l
s.. \V.• '
(_, Korozija je proces propadanja kovina kemijskom ili elektrokemijskom reakcijom s okolinom (uzrokovana nastankom galvanskog članka) prvenstveno djelovanjem kisika i vlage. Za kovine možemo reći da manje korodiraju akosu čiste jer nema mogu ćnosti nas-ta~1ka 1;1jestirničnib galvanskih članaka. Najpodložniji koroziji su željezo i njegove ~litiue. Ako u npr. željezu ima ugljika, ugljik postaje + pol članka pa se željezo "ota·pa", ottećuje se zaštitni sloj na metalu pa može doći do korozije. Na koroziju utječe i prisutnost kisika, naročio kad je njegova koncentracija različita na pojedinim djeJovirna predmeta koji korodira. Načini zaštite su različiti: katodna zaštita, dodavanjem inhibit9ra, nanošenje prevlaka, galvanizaci~, aloksiranje.
Elektroliz~i članci '(' r''
<:>.\-I , \-1 r, \-.,(- ~,.
1j~\f\\J '5'1:)\_\.
;--ELt.1'<'1<.a,Y~+.!:.y",cx~ \
--\_. , r ·"' r .---... ' · ".l...C
'. l r,--,7,_
-'"J
,',,\.':sEJ'.,f'G ",\,
~
..Lc.1,- '·'" ·, \ ,rV ~
I <:2. --
~-":J;) ~'-- · ,
f'..,1J(_\'{\~
Kemijske promjene do kojih dolazi na elektrodama zbog djelovanja električne struje nazivamo elektrolizom. su redoks-reakcije koje se ne zbiva}uspontano već djefuvan,1e11_! .1stosmjerne električne struje u elektrol iznorn članki.i: Elektrolizni člana!< ili elektrolizer sadrži elektrolit i elektrode:
-To
a) anoda (+) je elektroda na kojoj se odvija reakcija oksidacije, kod elektrolize privlači anione (priključena na pozitivni pol izvora struje) . b) katoda (- ) j e elektroda na kojoj se odvija reakcija redukcije, kod elektrolize privlači katione (priključena na negativni pol izvora struje). ,Elektrode su ~QQjene na izvor istosmjerne struje (baterija, akumulator ili i zmjenič na struja koja se pretvara u istosmjernu). E lektrode mogu biti od istovrsnog ili raznovrsnog materijala. · -Provodi se elektroliza talina soli i elektroliza vodenih otopina soli. Od više mogućih reakcija ( u vodenim otopinama) na elektrodi se zbiva ona za koju je pot,-ebna manja energija. Vrijede pravila:
a) Ako su u elektrolitu prisutni kationi alkalijskih, zemnoalkalijskih iona il i aluminijevi ioni, tada će se na katodi reducirati vodik iz molekula vode. Znači da npr. ne možemo elektrolizom vodene otopine ~aCJ na katodi iz l učiti natrij. ,.... ··, 11 . .
126
e
'·"·
,.j·--'
I ( • ,j... -
l
l
'i,.::' <.J} -
Kemija u 24 lekcije
(\1rr v
\
-
. J,,,.. _,W_,,-,; \ 1''r•ć. .. > -• ·'\\,-I.<",
,li-:::,
,,
I 1J•I
'
·, <
-
. '
1-
· ~
\.
Elektrolizni članci
"T' --
I
h) Ako su u elektolitu prisutni složeni anioni (sulfat, fosfat, karbonat, nitrat) ili jednostavni fluorid ion, tada će se na anodi oksidirati kisik iz molekula vode. -,'\ · ~ • l' •, . \ I I -()..:r Ou.,S).' .vS.S'o 1\\'S. \JOC.~_c, \ cs~-:icocrc vU'o' ,(_ Elektroliza taline natrijeva klorida NaCl(s) ~ N a\ 1) +Cl-(1) K(-) Na+ +e- -? Na(I) / 2
- redukcija
Klor gradi molekulu i zato trebaju
A(+) 2Cl- o) -jo Cl 2 (g) + 2e-
- oksidacija
2c1-, jedan klorid ion otpušta le-, a 2ci- otpuštaju 2e-.
2Na+ + * - ~ 2Na 2c1- ...+Cl2 + * 2Na+ + 2CI- ~ 2Na + C12
Na kat:odi se izlučio elementarni natrij, a na anodi elementarni klor.
r-0-
(_
Elektroliza vode 2H2 0+2e- ...+ H 2 + 20HA(+) 2H 2 0 -j- 0 2 +4H+ +4e-
K(-)
/ ·2
plinoviti ·
kisik
plinoviti vodik
4I-I20 + -4e-- -jo 2H 2 + 40H2H20-+ 0 2 + 4H+ + -4e-6)J1Ć ~ 2I-I2 + 401-I- + 4H+
4Jl10
2H 2 0
-jo
2H 2 (g) + 0 2 (g)
Na katodi voda reducira i razvija se vodik, a na aoodi oksidira i razvija se kisik, pri čemu je odnos volumena plinova, 1m1ožina i broja molekula uvijek 2: 1.
1-I ·. O Elektroliza vodene otopine natrijeva klorida N aC·,1(s) K(-)
A,o
2H 2 0 +
elektroliza vode u
Hoffrnannovu aparatu
N··a+(aq) + ci- (aq)
*-
~ H2
+ 20H- I -2 - redukcija
A(+) 2Cl- (a(t) ...+ C1 2 (g) +* -
- oksidacija
2c1- + 2H 2 0 ...+H2 +20H- + Cl 2 Na+ +2Cl- + 2H 2 0 ~ H 2 + 201-I- + Na+ +Cl 2 Produkti elektrolize vodene otopine NaCI su vodik, klor i natrijeva lužina. Pri elektrolizi se na elektrodama od više mogućih kemijskih reakcija uvijek odvija reakcija koja zahtijeva najma,~ji utrošak energije (a to je
redukcija vode na katodi umjesto trija).
izlučivanja
plinoviti vodik natrijeva
plinoviti klor zasićena
vodena otopina natrijeva klorida
lužina
naelektroliza vodene otopine natrijeva klorida
Kemija u 24 lekcije
127
12. Elekltokemij_sKi procesi
_ _ta_l_in_e_N _ a_ c _1_ _ _ _ _ _ _ _ _ ___. [ otopine Na2C03 = elektrolizi vode NaClCs)---+ Na\ n + Cl(l) K(- ) Na
NaCl(s)---+ Na\ v + Cl(aql K(- ) H
A(+) Cl2
A(+) Cl
Na anodi se izlučuje elementarni natrij, a na anodi elementarni klor.
Na katodi ne ide reakcija s natrijem jer je metal l. skupine već se reducira voda i razvUa se vodikjer je to energijski povoljnije.
Na2C0 2(sl---+ 2Na\ v +Co/-(aqJ K(- ) H 2
2
A(+) 0
2
2
Na katodi se nije izlučivao natrij (metal l. skupine) jer je povoljnija reakcija s vodom pa se izlučuje vodik, ali ni na katodi nije tekla reakcija sa složenim ionom već s vodom i izlučuje se kisik.
Faradayevi zakoni elektrolize - množina tvari koja se pri elektrolizi izluči na bilo kojoj elektrodi, proporcionalna je električnom naboju kc~ii proteče kroz elektrolit. Električni naboj jednog mola ele~.tr.on1;:~ ·e Faradayeva konstanta, F. Faradayeva konstanta( ! = NA· eF--6.,CJ22:->- 023 mo1-1 • 1,6022. 10- 19 c = 9,648 · I04 C mo1-1
::::; 96 500 C moi-1 =
26,80 Ah mo1- 1
Jedinica električnog naboja je 1C (kulon)= lAs (ampersekunda). Ako su množine elektrona pri redukciji i oksidaciji jednake, izlučit će se jednake množine tvari na elektrodama. Množina tvari (X) koja se izluči na elektrodi ovisi o množini elektriciteta (Q) koja prođe kroz elektrolit i opisana jf_i zrnzom;_
n= _g_ z .p
0
slijedidaje Q=n·Z·F
LQ=
~
. J. (1 = jakost struje, t = vrijeme pro~jecanja)
1· t
--
-
Q·A1 l·t · M m=--=--Z·F
z.p
Z = broj elektrona u reakciji u kojoj sudjeluje atom, molekula ili ion, kao reaktant ili produkt.
Broj atoma koji se izlučuju na pojedinoj elektrodi računa se prema izrazu: ;V=
Volumen
izlučenog
plina možemo
l ·t· N A Z·F
izračunati
prema izrazu:
Q·V 0 -m
V=--Z·F
U serijski spojenim elektroliznim ćelijama protječe jednaka množina elektriciteta._
'·-
128
Kemija u 24 lekcije
- - - - -- - -
I
12. lekcija
L._ Koliko će se grama cinka izlučiti na katodi ako se provodi elektroliza vodene otopine cinkova nitrata u vremenu od 20 min, a protječe struja jakosti 10 A? ~ Elektrolizom taline CaC1 na katodi se izlučuje kalcij, a na anodi klor. Izračunaj masu 2
kalcija i volumen klora ako protječe struja jakosti 15A u vremenu lh.
L
lzračunaj vrijeme potrebno za potpunu elektrolizu 1kg glinice (A!p3) ako je jakost struje 35 000 A.
L
Koji od metala će istisnuti vodik iz klorovodične kiseline? a) Ag b) Zn c) Cu d) Hg
e) niti jedan
L Napon jednog članka olovnog akumulatora iznosi: a)2,5V
L
b)l,SV
c)2V
d)4,5V
e) 3 V
Dva su elektrolizera spojena serijski. U prvom je otopina ZnC1i, a u drugom Cr(N03) 3. Koliko će se grama kroma izlučiti na katodi u drugom elektrolizeru ako se u prvom na anodi razvilo 1,2 mola klora?
L Prikaži elektrolize: b) vodene otopine NaCl d) vodene otopine Zn(N0 3\
a) taline NaCl c) vodene otopine ZnC1 2 e) vodene otopine MgS04 .
L Shematski prikaži napon tog
članak
aluminij-cink te napiši reakcije na elektrodama. Izračunaj
članka.
~ Koliko treba vremena da se strujom od
3 A izluči 25 g aluminija (A\) (III) iz alumi-
nijeva sulfata (Al/SO 4) 3)?
1O. Koliko će se izlučiti bakra (Cu II) iz bakrova(II) sulfata (CuSO 4 ) ako je struja jakosti od 5 A i vrijeme utrošeno za elektrolizu od 800 sekundi? ~ lzračunaj
standardnu elektromotornu silu članka (napon članka) u kojem su elektrode
Mg2 +/Mg i Cu2+/cu. 12. Kalcij se dobiva elektrolizom kalcijeva klorida. Treba li kalcijev klorid biti rastaljen ili otopljenu vodi? Objasni. ~ Što se reducira u redoks-reakciji koju zapisujemo izrazom:
Fe<1l I Fe a) Fe
b) Fe3 +
\q) li Cl
3
c) Cl
2
2
1c1-1 Pt?
d) Cr
e) Pt
12. Elektrokemijski procesi 14. Slika prikazuje gaJvanski članak (nepotpuno). a) Upišite ime dijela koji nedostaje, a poh·eban j e za nonnalno funkcioniranje galvanskog članka. b) Napišite shemu galvanskog članka koji grade željezov (Fe2+/Fe) i srebrov (Ag+/Ag) poluč lanak.
\aq) //
15. Tijekom rada galvanskog članka Al(JA13 Zn2\q/Zn(s) dolazi do otapanja jedne njegove elektrode. a) Prikaži promjenu jednadžbom kemijske reakcije. b) U kojem se smjern kreću elektroni u članku ? 16. Zadani su s ljedeći redukcijski potencijali: E°(Fe2+/Fe) = - 0,44 V _E-O(Al3+/Al) = - 1,66 V E°(Pb2+/Pb) = -0, 13 V .E°(Cu2+/Cu) = 0,34 V E 0(Ni2+/Ni) = -0,25 V a) Koja je tvar najjače redukcijsko sredstvo? b) Napišite shemu članka koji bi imao najveću razliku potencijala. c) Napišite kemijsku reakciju na anodi i katodi toga članka. d) Što bi se dogodilo kada bi se bakrena pločica uronila u vodenu otopinu aluminij eva klorida? e) Koji bi od navedenih metala bilo najbolje upotrijebiti za zaštitu na pločici željeza? f) Što j e eloksiranje?
1L. Množina elektriciteta koji se utroši
za elektrolizu vodene otopine kadrnijeva nitrata
je 2,5 · 102 As.
a) Izračunaj masu kadmija izlučenog na katodi . b) Izračunaj volumen kisika razvijenog na anodi ako je temperatura 45 °C i tlak 1,2 bara.
18. U kojim će se slučajevima razvijati kisik na anodi ako se provodi elektroliza vodenih otopina: b) bakrov(II) klorid a) natrijev sulfat d) aluminijev nitrat c) ci11kov karbonat ~
130
Nastaju li isti produkti kod elektrolize vodenih otopina cinkova kJorida i cin.kova sulfata?
Kemija u 24 lekcije
13. lekcija ·
- ---------'J •
-
-
1'3. Alkalijski i zemnoalkalijski metali
IAlkalijski metali i njihovi spojevi U alkalijske metale ubrajamo: litij, natrij, kalij, rubidij, cezij i francij. Svi elementi prve skupine imaju jednaku elektronsku konfiguraciju valentne ljuske: n s 1• U svim su spojevima jednovalentni. Zbog male E; lako tvore ka ti one nabojnog broja (] +).
M---t W + eTablica 13.1. Svojstva alkalijskih metala
11111111 ".)
+l
1,0
520
0,534
1342
152
11
+l
0,9
496
0,97
882,9
186
19
+l
0,8
419
0,89
759
227
37
+l
403
1,532
688
248
55
+1
0,8 0,7
376
1,93
671
266
87
+l
0,7
- 375
270
Zbog malene gustoće lako se režu nožem. Na svježem prerezu imaju metalik srebrni sjaj koji se duljim izlaganjem zraku gubi zbog njihove reaktivnosti. Alkalijski metali su vrlo reaktivni. U reakciji s vodom razvijaju vodik, stoga ih ču vamo u petroleju (kao i zbog njihovog lakog reagirnnja s kisikom iz zraka), litij čuvamo u mineralnom ulju, a cezij čuvamo u vakuumu. Natrij s vodom reagira bumo, razvija se toplina zbog egzotermnosti reakcije. Nastali vodik tjera natrij po površini vode i zbog oslobođene topline on se zapali. Posuda mora biti okrugla da se natrij ne bi zaustavio u kutu pri čemu bi se staklo ugrijalo i puklo. Ako alkalijski metal označimo kao M, reakcija je sljedeća: 2M(s) + 2Hp(l) ---t 2M\q) + 20H- + H 2 (g) 2Na(s) + 2H 20 <1>---t 2Na\q) + 201-1- + H 2 (g) Dodatkom tenolftaJeina otopina se boji ljubičasto zbog nastanka jake lužine. Svi alkalijski metali grade hidride, spojeve s vodikom (u metalnim hidridima oksidacijski broj vodika je - 1). Svi su hidri di ionski spojevi osim LiH. 2M(s) + H 2(g) ---t 2MH(s) Hidridi bumo reagiraju s vodom. Jaka su redukcijska sredstva koja se u vodi hidroliziraju. S kisikom reagiraju gradeći okside (litij), perokside (natrij) i superokside (kalij). 2Na(s) + 0 2 (g) ---t Na2 0is) 4Li(s) + 0 2 (g) ---t 2LiP(s) Oksidacijom peroksida K, Rb i Cs nastaju superoksidi.
132
Kemija u 24 lekcije
U reakciji s halogenim elementima (17. skupina, X) tvore ionske halide u egzotermnoj reakciji. 2M(s) + X2 (g) - ; 2MX(s) 2Na(s) + Cl2 (g) -t 2NaCl(s) Natrij i kalij su bitni makroelementi za živi svijet. Natrijev ion se nalazi u izvanstaničnoj tekućini, dok se kalijev ion nalazi u unutarstaničnoj tekući.ni. Mehanizam koji
razinu između natrijevih i kalijevih iona održava stalnom te prenosi natrijeve katione iz stanice, a kalijeve katione u stanicu zove se kalij-natrijeva crpka. Zbog razlike u koncentraciji tih iona u stanici i izvan nje pojavljuje se razlika električnog potencijala koja omogućuje provođenje električnog impulsa živčanim vlaknima. Oba su potrebna i biljkama.
Natrij i njegovi spojevi Natrij je metal srebrnog sjaja, reže se nožem, nije otrovan, ali nagriza kožu i izaziva duboke rane i opekotine (zaštita p1i radu!, ako je došao u dodir s kožom, mjesto treba isprati akobolom pa vodom i na kraju razrijeđenom octenom kiselinom). Ostavljen na zraku gubi metalni sjaj zbog reakcije s kisikom, ug~jikovim dioksidom i vodenom parom iz zraka: 4Na(sl + 0 2 (g) + 4C0 2 (g) + 2Hp(g)-; 4NaHC03
Natrij gori žutom bojom plamena, a požar se ne smije gasiti vodom (buma reakcija!) niti aparatom za gašenje već pijeskom, suhom kuhinjskom soli ili željeznom piljevinom. Na(s) + 0 2 (g)-; Na20 2 (s) - natrijev peroksid Uz dodavanje vode nastaje burna egzotermna reakcija koja rezultira stvaranjem natrijeve lužine Na2 0 2 (s) + 2Hp(I) -; 4Na\q) + 40H-(aql + 0 2 (g) Natrij se danas uglavnom proizvodi elektrolizom taline natrijeva klorida u Downsovoj ćeliji za elektrolizu, a NaCl-u se dodaje kalcijev klorid zbog snižavanja visokog tališta. Na katodi se izlučuje tekući elementarni natrij koji se primjenjuje za izradu svjetlećih tijela te u raznim drugim kemijskim sintezama, kao sredstvo za sušenje etera i drugih organskih otapala. 1. Natrijev klorid, NaCI, koristi se kao začin (kuhinjska sol) i kao konzervans u prehrani. Najveći dio se vadi kopanjem iz rudnika. U oceanima je najzastupljenija otopljena tvar. Naša najpoznatija solana je na Pagu. Otopina NaCJ u kojoj je maseni udio NaCI 0,9 % je fiziološka otopina, izotonična je sa staničnom tekućinom te se upotrebljava za infuziju. Elektrolizom taline nastaju elementarni natrij i klor, dok se elektrolizom vodene otopine na katodi razvija vodik, a na anodi klor. 2. Natrijev hidroksid, NaOH, jaka je baza pa je njegova vodena otopina jako lužnata. Neutralizacijom s kiselinama daje soli. Važna je industrijska sirovina u proizvodnji varikine, papira i sapuna. Industrijski se proizvodi elektrolizom vodene otopine NaCl u ćeliji gdje su odijeljeni anodni i katodni prostor membranom koja propušta samo natrijeve ione. Uparavanjem NaOH(aq) koja nastaje dobije se čvrsti natrijev bidroksid. Vrlo je higroskopan (čuvati ga u dobro zatvorenim posudama) pa se njegove suhe granule na zraku brzo navlaže od vlage koju upiju iz zraka. Uz vlagu upija i ugljikov Kemija u 24 lekcije
133
.....~
.
-
-
13. Alkalijski i zemnoalkalijski metali dioksid pri čemu nastaje natiijev karbonat. 2NaOH(s) +
co2(g)
- > Na2C03(s) + HP(t)
NatTijev hidroksid se čuva u plastičnim posudama jer reagira i sa staklom (čepovi se zapeku na staklenim bocama): Si02 + 2NaOH - > N\Si0 3 + H2 0
3. Natrijev karbonat, soda, Na 2C03, kao i natrijev hidrogenkarbonat nalaze se u prirodi u mineralu trona (Na2 C03 · NaHC0 3 · 21-Ip). Natrijev karbonat se koristi u proizvodnji sapuna i stakla. Industrijski se proizvodi Solvayevim postupkom koji ima počct11e sirovine: natrijev klorid, amonijak, kalcijev karbonat, ugljikov dioksid i vodu. NaCl(aq)
+ NH 3 (gl + C02 (g) + H 20 m ~ NaHC03 (sl + NH4+(aq) + c1- (aq)
U reakc~ji se od četiri moguće soli istaloži najmanje topljiva, a to je natrijev hidrogenkarbonat, koj i se zatim odvaja filtrncijom te se zagrijavanjem dobije nat1ijev karbonat: NaHC0 3 (s) ~ Na 2 C03 (s) + C0 2 (g) + I-12 0 (g) 4. Natrijev hidrogenkarbonat, NaHC03, soda bikarbona, sastojak je praška za pecivo a služ i i za LLklanjanje viška kiseline u želucu, spada u antacide. To je sol karbonatne kiseline, kao i natrijev karbonat, a vodene otopine su im lužnate zbog hidrolize.
IZemnoalkalijski metali i njihovi spojevi Zemnoa]kal\jsk.im metalima pripadaju: berilij, magnezij, kalc~j, stroncij, barij i radij. Svi elementi druge skupine imaju jednaku elektronsku konfiguraciju valentne ljuske: n s2 . U spojevima su samo dvovalentni. Lako grade katione otpuštajući dva elektrona. M ~ M2 ++2eImaju nisku energiju ionizacije, mali elektronski afinitet i. malu elektronegativnost. Ovi metali su slični alkaJijskirn metalima. Najreaktivniji je baiij. Osim berilija, grade pretežno ionske spojeve.
Tablica 13.2. Svojstva zemnoalkalijskih metala
11•• • Bc
134
4
+2
1,5
1757
1,85
2471
111
l2
+2
1,2
1450
1,74
1090
160
20
+2
1,0
1445
1,54
1484
197
Sr
38
+2
1,0
1064
2,64
1382
215
Ba
56
+2
0,9
965
3,62
1897
217
Ra
88
+2
0,9·
975
5
Kemija u 24 lekcije
223
Zemnoalkalijski metali i njihovi spojevi Zemnoalkalijski metali (M) reduciraju vodu i tada se razvija vodik, tako da te metale ne možemo dobiti elektrolizom vodenih otopina njihovih soli već samo elektrolizom talina njihovih soli . :tvl(s)
+ 2H20 <1>--+ M 2+(aq) + 20H-+ H 2 (gJ 2
C:a(s) + 2H 20 (J) --+ Ca
\
ql
+ 201-1- + H 2 (g)'
S vodikom grade hidridc (osim berilija), u metalnim hidridima oksidacijski broj vodika je -I
M(s) + H2 (g)-; TvfH2 (s) Ca(s) + H2 (g) --+ CaH2 (s)' Hidiidi reagiraju s vodom, a nastaje lužnata otopina:
S kisikom reagiraju gradeći okside: 2Jv\s) + 0 2 (g) --+ 2MO(s)
2Mg(s) + 0 2 (g) --+ 2Mg0(s)' Izgaranjem magnezija na zraku nastaje smjesa magnezijeva oksida i magnezijeva nitrida Mg 3N 2. Oksidi alkalijskih i zemnoalkalijskih metala su jake baze, bumo reagiraju s vodom pii čem u nastaju hidroksidi. Od nj ihovih hiclroksida nastaju jake lužine. Metal + kisik = metalni oksid Metalni oksid + voda = hiclroksid Hidroksid
\'Odli
lužina
Reduciraju halogene elemente gradeć i ionske halide: M(,) + X2 (g) - >MX2 (s) Svi su im oksidi bazičn i (jedino je BeO amfoteran oksid), nastaju izgaranjem na zraku. Oksidi u reakciji s vodom grade lužine: MO(,} +
Hp(l) - >M2\a + 20H-(aql ) 4
Svi karbonati zemnoalkalijskih metala pirolizom daju okside: MC:0 3 (s) --+ MO(s) + C02 (gJ
Kalcij je biogeni element. Najzastupljeniji je metal u ljL1dskom tijelu, nalazi se u kostima kao kalcijev fosfat, Ca/ P0 4 \ i karbonat, a li krvi (1 % ukupnog kalcija u tijelu) kao kalcijev ion Ca2 1. Važan je za mišićne kontrakcije i podražljivost živčanog sustava, za zgrušavanje krvi, lučenje hormona. Manjak kalcija li kostima uzrokuje osteoporozu kod odraslih, a kod djece rahitis. Kalcij je srebmobijele boje, mekan je i vrlo reaktivan. Kemija u 24 lekcije
-
-
-
--
-
135
Postojaniji je na zraku od natrija jer stvara površinski zaštitni sloj oksida i ne treba ga se čuvati u petroleju. Kao i natrij, istiskuje vodik iz vode : 2
Ca + 2~0<1>~ Ca \ql + 20H-(aq) + H 2 (g) Dobivanje kalcij a: elektrolizom tatine CaC12 • Minerali kalcija: Karbonati
kalc it (vapnenac, mramor, kreda) CaC03 dolomit CaC03 · MgC03
Sulfati
anhidrit CaSO4 sadra ili gips CaS04 · 2H20
fluoridi
mineral fluorit CaF2
Si lika1i
kalcijev glinenac
Fosfati
apatiti Cas(P04 )i0H)
Biljka za rast treba 1Omakroelemenata i 6 mik.roelemenata, od zemnoalkalijskih e lemenata potrebni su j oj kalcij i magnezij . Magnezij je sastojak klorofila (biljnog pigmenta koji apsorbira svjetlo u žutom dijelu spektra te je stoga list biljke zelene boje). Ma1:,rnezij je važan jer je sudionik enzimskih reakcija u tijelu. Sudjeluje u prijenosu podražaja sa živca na mišić te upravlja kontrakcijom mišića. Ima ga u bananama i raj čici (dnevno treba unositi u tijelo oko 300 mg).
Spojevi
l. Kalcijev karbonat ili vapnenac, CaC03, industrijski je važ.an spoj jer je polazna sirovina u proizvodnji drugih kemikalija. Do lazi u dva kristalna oblika, kao kalcit (dvolomac) i aragonit. Ako ga žarimo nastaje kalcijev oksid iz kojeg se dalje reakcijom s vodom može pripraviti kalcijev hidroksid ili gašeno vapno. Kalcijev karbonat
žarenje
CaO +
CaC03 (s) CaO + Hp
živo vapno CaO
~
fl,O - ---1~
gašeno vapno Ca(OH\
co2
Ca(OH) 2
Ca(OH)2 + C02 ~ CaC0 3 (s) + ~O Gašenom vapnu se dodaje pijesak i voda te nastaje žbuka koja se osuši na zidu zbog reakcije s ugljikovim dioksidom iz zraka. Kalcijev karbonat je slabo topljiv u vodi (bolje ako ima C02). Stoga prirodna voda
136
Kemija u 24 lekcije
tcrmjčka
razgradnja
kalcijeva karbonata
s otopljenim ugljikovim dioksidom pomalo etapa vapnenac: t,.
CaC03 (s) + C0 2 (aq) + H2 0
(l)
2
Ca
\
q) +
2HC03- (aq)
Ako na vapnenac djelujemo kiselinama, dolazi do reakcije: CaC03 + 2HC1 ~ CaC12 +C0 2 + Hz° 2. Kalcijev hidroksid, Ca(OH) 2, jaka je baza, ali je slabo topljiv u vodi pa mu je otopina slaba lužina. Njegova gusta suspenzija zove se i gašeno vapno. Važan je u građevinarstvu (žbuka) jer s ugljikovim dioksidom iz zraka daje kalcijev karbonat. 3. Bezvodni kalcijev klorid, CaCl2, upotrebljava se kao sredstvo za sušenje. 4. GiJ>s, kalcijev sulfat dihidrat, CaS0 4 • 2H 20 , koristi se u kiparstvu i medicini za imobilizaciju kod prijeloma kostiju. Zagrijavanjem na 130 °C dobije se poluhidrat, pečeni gips:
5. Magnezijev oksid, MgO, koristi se u izradi vatrostalnog materijala za metalurške peći jer ima vrlo visoko talište. 6. Stroncijev nitrat, Sr(N03\
,
koristi se kod izrade pirotehničkih sredstava.
Kemija u 24 lekcije
137
1-3. Alkalijski i zemnoalkalijski metali
13. lekcija
L
U rekaciji natrija s vodom odredi koja je tvar redukcijska sredstvo.
b._ Koliko je koordinacijski broj natrijeva iona u kristalu natrijeva klorida? Koja je to elementarna ćelija? ~ Ako se stavi kristalić NaCJ u vodu i izmjeri pH otopine, koliki će on biti?
L U čašu je stavljeno 25 mi destilirane vode i dodam) je
I g NaOH.
a) Je li to egzotermna ili endotennna reakcija? b) Izračunaj množinsku koncentraciju priređene otopine.
L
U čaši su pomiješani natrijev hidrogenkarbonat i voda.
a) Napiši kemijsku jednadžbu kojom ćeš objasniti izmjereni pH. b) Ako u ist11 čašu dodamo malo limunske kiseline, što se može opaziti? ~
U porculansku zdjelicu stavljena je žličica natrijeva hidrogenkarbonata uz dvominutno zagrijavanje. a) Napiši kemijsku jednadžbu žarenja i imenuj dobiveno. b) Ako je temperat11ra vode u epruveti bila 27 °C, nakon dodatka dobivene tvari predvidi promjenu temperature i objasni je. c) Napiši jednadžbu reakcije kojom ćeš objasniti da je pH = 11. d) Temeljem pokusa usporedi svojstva natrijeva hidrogenkarbonata i natrijeva karbonata.
L_ Provodi se elektroliza vodene otopine NaCl. U krak cijevi spojen na - pol dodano je par kapi fenolftaleina, a u drugi krak par kapi tinte. Na sastavljenu aparaturu je priključen izvor istosmjerne struje od 9 V. Nakon 5 minuta izmjerena je pH = 10. - +
vodena otopina nat1ijeva klorida
UJ
a) Zabilježi promjene koje se mogu uočiti. b) P1ikaži jednažbe kemijskih reakcija. c) Zašto se klor razvijen na anodi uvodi u razrijeđenu otopinu NaOH? d) Zašto se tinta obezbojila?
138
Kemija u 24 lekcije
13. lekcija: Zadatci
L
I zračunaj množinsku koncentraciju otopine koja sadrži 55 g Na2C0 3 u 500 g otopine ako je gustoća otopi ne I ,065 g/cm 3.
L
Kalijev superoksid se koristi u aparatima za disanje kao izvor kisika jer reakcijom sa stehiometrijskom ko li č inom vode daje kisik i čvrsti kalijev hidroksid koji se spaja s ugljikovim dioksidom (nastao disanjem). Jednadžba reakcije je: 4K02(s) + 4C0 2(g) + 2H2 0 (g) _. 4KHC03 (s)+ 30 2 Odredi volumen kisika pri t = 25 °C i tlaku l bar ako je reagiralo 8 g K02"
10.
Izračunaj količinu oslobođene
topline reakc ijom l g natrija s vodom ako je
b.Jl = - 368,56 kJ/mol.
11. U limenu posudu stavljen je magnezijev prah i u njega utaknul komadi ć magnezijeve vrpce . Oko limene posude postavljena je plasti čna boca i zapaljena je magnezijeva vrpca. Kad je sav magnezij izgorio, špatulom je razmaknut gornji sloj . a) Koje boje su nastali slojevi i što predstavljaju? b) Ako gornji sloj staviš špah1lom na satno staklo i dotakneš ga lakmusom navlaženim destiliranom vodom, što primjećuješ? c) Ako u sivi prah na satnom staklu dodaš desti lirane vode, osjeća se neugodan miris. Objasni. d) Lewisovim simbolima prikaži nastajanje magnezijeva uitrida.
1b Na mramornu ploču je nakapana kloridna kiselina. Napiši jednadžbu kemijske reakcije.
13. Uzorak puževe kućice se žario plamenikom. !žareni uzorak je stavljen u
čašu
svo-
dom i fenolll.aleinom. Otapa li se u vodi? Napiši jednadžbu kemijske reakcije.
14. Kalijev oksid je otopljen u vodi. a) Kakva je to promjena') b) Kohki je pH? c) Promjenu prikaži jednadžbom. d) Kako se naziva nastala smjesa? e) Prikaži elektro litičku disocijaeiju kalcijeva hidroksida u vodi. f) Za što se koristi vapnena voda?
15. Termičkom razgradnjom vapnenca nastaje ž ivo vapno i ugljikov dioksid. a) Napiši reakciju i izraz za konstantu ravnoteže. b) Kako povećati iskorištenje reakcije? ~
U reakcijsku posudu je stavljene 1Og natrija i 50,2 g joda. Kolika je najveća masa Nal koji može nastati reakcijom?
17.
Tzračunaj volumen C0 2 pri temperaturi 17 °Ci tlaku 98,8 kPa, te masu CaO koj i nastaje potpunim raspadom 160 g CaC03 .
~
Kolika je koncentracija otopine magnezijeva hidroksida ako se 50 mi te otopine ncutralizi ra s 25 ml otopine HlO4 koncentracije 1,5 mol/dm 3? Kemija u 24 lekciie
139
14. lekcija
14. Tehnički važni metali
I
Svojstva teh nički važnih metala U tehnički važne metale ubrajamo željezo, aluminij i bakar.
M--+ M++ eTablica 14. 1. Pregled svojstava tehnički važnih metala Svojstva talište, t°C
1535
1083
658
7,87
8,95
2,70
w %, u Zemljinoj kori
4,7
0,01
elektronska konfiguracija
(Ar)3d 64s 2
(Ar)3d 4s
oksidacijski broj
n,m
I, TI
gustoća
ri 200°c
(g/cm3 )
7,57
10
1
(Ne)3s 23p 1 lll
IŽeljezo Željezo je prijelazni metal 8. skupine, najrasprostranjeniji je od svih metala na Zemlji . Elementarna željezo na Zemlji se nalazi kao meteorno (dospjelo iz svemira) i kao telurno. U prirodi je mtjčešće u oksidnim, karbonatnim, sulfidnim i silikatnim rndama. To je važan esencijalni element. U krvi se nalazi u sastavu hemoglobina, a ako ga nema dovoljno, razvija se anemija. Rezerve željeza su u jetri, slezen.i i koštanoj srži. Kod odraslih ljudi više od 70 % ukupnog željeza u tijelu se nalazi u hemoglobinu, manji dio je u mioglobinu (u mišićima). Elektronska konfigurncija željeza: Fe:
[Ar] 3cf4s2
l
- 2e-
Fe2+: [Ar] 3cf
...I -eFe3+: [Ar] 3cf
[TI] I u I i 4s
D4s D 4s
i
i
i
3d
Iu I r I t I r I i 3d
i
i
Ir Ii
i
3d
Proizvodnja željeza Proizvodi se u visokoj peći redukcijom oksidu.ih mela s pomoću koksa. Budući da ruda ima i p1imjesa (silikati ili karbonati), one se uklanjaju talioničkim dodatcima (tako nastaje troska). Visoka peć radi stalno, a puni se s gornje strane ubacivanjem koksa i rude s talion.ičkim dodatcima.
142
c (s) + 0 2(g) --+ co2(g)
Na dnu se upuhuje vrući zrak gdje izgara sloj koksa.
co2 Cg) + c (s)-+ 2co(g)
Koks reducira ugljikov dioksid u ugljikov monoksid.
Kemija u 24 lekcije
Željezo
Fe20 3 (s}+ 3CO(gl ~ 2Fe(I}+ 3C02 (g) Ruda se reducira s pomoću CO. 2CO(g) ~ C(s) + C02 (g)
U hladnijem dijelu peć i se CO disproporcionira.
Na vrhu (grotlu) izlaze grotleni plinovi (N2, CO, CO'), H,). Rastaljeno željezo se skuplja na dnu peći, a .iznad njega pliva troska koja ga štiti-od oksidacije. Troska se ispušta kroz posebni otvor, a koristi se za gradnju cesta, za proizvodnju cementa ... Naglim hlađenjem sirovog željeza nastaje bijelo sirovo željezo (ono se preraduje u če lik), a ako se polako hladi, nastaje sivo sirovo željezo (mekano je i žilavo, ne može se kovati pa služi za izradu lijevanih željez11ih predmeta). Čelik je najpoznatija slitina željeza, a maseni udio ugljika je od 0,03 do I ,5 %. Rastaljeno željezo se ulijeva u konverter oblika kruške. Unutra se upubuje kisik pod tlakom pa snažna struja kisika miješa rastaljeno željezo oksidirajući primjese (to je egzotermna reakcija koja dodatno zagrijava smjesu). Plinovi izlaze iz konvertera, a sastav tal ine se stalno nadzire. Dobivan.ie željeza iz rude je redukcijski proces, a dobivanje čelika iz želj eza je
oksidacijski proces. Korozija željeza je elektrokemijski proces kad se na katodi reducira otopljeni kisik iz zraka, a na anodi se željezo oksidira u željezov(Il) ion koji se oksidira dalje u že]jezov(III) ion pri čemu nastaje željezov(lll) oksid, tj. hrđa Fep3 · H20. Zaštita se provodi na dva načina: presvl ačenj e željezne površine bojom ili emaj lom, i anodnom zaštitom kad se npr. cjevovod spoji žicom s komadom manje plemenitog metala (Mg) koji se ukopa u zemlju nedaleko od cjevovoda pa nastaje galvanski članak u kojem je Mg anoda, a Fe katoda. ruda + dodatci + koks
I
grotlo
500°C
grotlcni plin (200°C) CH4 , N2, CO, C02 i H 2
redukcija Fep3 s koksom
troska
(cestogradnja, građevinarstvo,
proizvodnja cementa) Kemija u 24 lekcije
143
14. Tehnički važni·metc1li ;;
'Aluminij Aluminij je metal 13. skupine. Nema ga u elementarnom stanju već se nalazi vezan u rudama i mineralima (boksit, gline, zeoliti). Aluminij je otrovan za ljude pomor ribe.
li većim količinama,
a malo aluminija
li
vodi izaziva
Mekan je, srebmobijele boje, male gustoće, izvlači se u tanke folije. Dobar je vodič topline i elektriciteta i otporan je na koroziju zbog stvaranja tankog neporoznog oksidiranog sloja koji se ne ljušti i štiti metal od daljnje oksidacije. Redukcijski potencijal mu je negativniji (-1,66 V) od redukcijskog potencijala vodika. On može iz kiselina istisnuti vodik, ali se ne može proizvesti elektrolizom iz vodenih otopina (na katodi bi se izlučivao vodik, a ne aluminij). Aluminijeve soli bolje su topljive u kiselim i lužnatim vodama. Od svih metala najviše ga je u Zemljinoj kori. Najpoznatiji mu je mineral boksit A1p3 ·nRp.
Proizvodnja aluminija Elementarni se aluminij iz boksita ne može dobiti izravnom redukcijom s koksom Uer je jače redukcijsko sredstvo). Postupak proizvodnje aluminija: ruda-+ aluminijev oksid (glinica) Alp3
elektroliza rastaljene glinice
aluminij
Bayerov postupak je postupak dobivanja aluminijeva oksida iz rude. Ruda se kuha s otopinom natrijeva hidroksida u autoklavima (sterlizatorima). Nastala smjesa se filtrira, a nastali talog je crvenkast (sadrži željezov(lll) oksid - crveni mulj, koji se suši i u željezarama prerađuje u željezo). Filtrat se razrjeđuje vodom i taloži se aluminijev hidroksid: Al(OH) 4-(aq)-+ Al(OH\ (sJ + OW(aq) Talog aluminijeva hidroksida se profiltrira, lužnata otopina se upari i ponovno koristi u postupku. Talog aluminijeva hidroksida se žarenjem prevede u glinicu (oksid): 2Al(OH\ (s) -+ Alp 3 (sl + 3Hp(g} Glinica ima visoko talište (oko 2000 °C) pa se dodaju sredstva za snižavanje tališta npr. kriolit Na3 AIF6 (koji snižava talište za oko 1000°C). Elektroliza se provodi u željeznim posudama koje su obložene grafitom, to je katoda (- pol). Unutra su ugljeni blokovi (anoda) koji su spojeni na + pol izvora struje. Na katodi se reduci.raju ioni aluminija, a na anodi se oksidiraju ioni kisika: Al2O,., (s) ~ 2Al3+ + 302A(+):
K (-):
602- -+ 30 + 12e2
3C + 302 ~ 3C02
4Al 3+ + .l2e- ~ 4Al
Kisik koji se razvija na anodi reagira s ugljikom anode dajući smjesu ugljikovih oksida (CO i C0 2), a ta dobivena smjesa plinova se zove anodni plin. Aluminij koji nastaje
144
Kemija u 24 lekcije
' Baka.r na katodi ima veću gustoću pa se skuplja na dnu posude za elektrolizu, te tl} onemogućava ponovnu oksidaciju aluminija, anodni blok.ovi - grafit(+)
željezna posuda obložena grafitom(-) elektroliza glinice
Osim štetnog ugljikova monoksida (atomarni kisik reagira s ugljikom anode i troši blokove) nastaju i dmgi spojevi štetni za okoliš (fluor i fluorirani spojevi ugljika).
••
Aluminij je otporan na koroziju, stabilan je na zraku (tanki oksidirani sloj ga štiti), U dodiru s grafitom, željezom, bakrom, niklom, srebrom ili olovom korozijska otpornost aluminija se smanjuje. U prisutnosti vlage aluminij s tim elementima daje galvanski članak pa se otapa, Otpornost na koroziju mu se povećava postupkom eloksiranja (aluminijski predmet se stavi kao anoda u otopinu sumporne kiseline i elektrolizira, nastaje sloj oksida koji se čvrsto priljubi uz aluminij i štiti ga). Nije otrovan pa se upotrebljava za izradu razne ambalaže u prehrambenoj industriji, Recikliranjem se štede znatne količine energije. Aluminijev prah je vrlo reaktivan pa se koristi pri izradi ]putib raketnih goriva, pirotehničkih sredstava, industrijskih eksploziva. Spojevi aluminija Među važnijim spojevima aluminija su: aluminijev oksid (Alp3), glinica, mineral korund (Al 0 - ako sadrži male količine drugih metala, obojen je i poznat kao drago 2 3 kamenje: crveni je rubin (ima kroma), plavi je safir (ima kobalta)), alumina ili aloksit (A1p - vatrostalni materijal), aluminijev alaun ili stipsa (K.Al(S04 \ · 12 Hp) i zeolit 3 (aluminosilikat- nautralizira alfatoksine u stočnoj hrani). Aluminijev oksid i hidroksid su amfoterni spojevi. S kiselinama daju kompleksni kation [Al(HP)i+ - heksaakvaaluminijev(III) ion, a u reakciji s lužinama kompleksni anion [Al(OH) tetrahidroksoaluminiat(HT) ion.
r-
4
\ Bakar Bakar je prijelazni ·metal 11. skupine, u prirodi ga malo ima u elementarnom stanju, najčešće je u obliku ruda. Crvenkaste je boje, a poslije srebra najbolj i je vodič elektrici-
teta pa se koristi u industriji kabela i elektroničkoj industriji. Otporan je prema koroziji pa se koristi i za izradu ukrasnih predmeta. Ima metalni sjaj koji gubi stajanjem na zraku. Lako se savija ali je i žilav, dobro se kuje i izvlači u tanke žice. Kemija u 24 lekciie ·
145
14. Tehnički važni metali Elektronska konfiguracija Cu:
[Ar] 3d104s 1
[IJ
lnlui ulul1tl
4s
3d
1 - ie-
lnl D4s lulHlnlH 3d
cu+: [Ar) 3d10 1 - ieCu2 +: [Ar]
lnlnl1tlul r I D 3d 4s
3c!
Bakar u spojevima ima oksidacijski broj Tili II, u vodenim otopinama ne postoji Cu+ ion već samo Cu 2+ ion koji je stabih1iji. Bakar je po važnosti u tijelu iza željeza i cinka. Dnevno nam treba 5 mg bakra,jer ako nemamo dovoljno bakra ne možemo se niti koristiti zalihom željeza iz jetre. Otrovan je u većim količinama. Ne nakuplja se u organizmu. Najpoznatiji su mu minerali halkopirit CuFeS 2 i halkozin Cu2S.
Proizvodnja bakra a) Halkopirit se najprije prži da se dobije bakrov(I) sulfid koji se opet prži i dobije se sirovi bakar. 2 CuFeS 2 (s) + 4 0 2 (g)-? Cu2S(s) + 2 FeO(sJ + 3 S02 (g) Cu2 S(s) + 0 2 (gl-? 2 Cu
8CuFeS + 110 ~ 4Cu 2S + 4FeS + 2Fe20 3 + 8 S02 2
2
b) Može se dobiti i iz oksidnih ruda: Cup + C-? 2Cu (sirovi) + CO. Čisti bakar dobivamo elektroJjznom rafinacijom gdje je blok sirovog bakra anoda, a katoda je tanki lim čistog bakra, elektrolit je otopina modre galice zakiseljena sumpornom kiselinom.
elektroliza
Cu(s) anoda, sirovi bnkar A(+):
Cu(s)
katoda, Cu (sirovi) 2
K(- ): Cu
+
+ 2e-
-t Cu2+
čisti
bakar
+ 2e-
-t Cu (čisti)
Anodni mulj sadrži primjese (zlato, srebro). Bakar se otapa samo u oksidiraj ućim kiselinama (zlatotopka, HCI: HN03= 3 : I). Bakrov(II) oksid i bakrov(II) hidroksid su bazične tva1i koje lako reagiraju s kiselinama dajući odgovarajuće bakrove(Il) soli. Modra galica je najpoznatiji spoj bakra. Rabi se u vinogradarstvu za zaštitu vinove loze od peronospore. Dobiva se reakcijom bakra i razrijeđene H 2 S04 samo uz prisutnost kisika. Mjed je slitina bakra i cinka, a bronca je slitina bakra s kositrom.
146
Kemija u 24 lekcije
t4; lekcija: Zadatci
L
U tri epruvete je stavljen aluminij i redom u njiJJ dodano: razrijedena kloridna kiselina, razrijeđena sumporna kiselina, koncentrirana dušična kiselina. Prikaži promjene jednadžbama.
L
Reakcijama prikaži reaktivnost aluminija i aluminijeva oksida u kiselom i lužnatom mediju, kao prikaz njihove amfotemosti.
L
Na stolu je šest epruveta prema prikazu: Cu + H2S04, ne reagira
ne reagira
razrijeđena
ne reagira Cu + HN01, koncentrirana
reagira kad se zagrije
reagira
reagira
a) Prikaži moguće kemijske reakcije. b) Što zaključuješ o reaktivnosti bakra?
L
Bakrov(II) oksid je stavljen u tri epruvete u koje je bilo dodane 1. destilirana voda 2. koncentrirana H2 SO4 3. otopina natrijeve lužine. a) Prikaži promjene jednadžbama. b) Prikaži disocijaciju nastalog bakrova(II) sulfata. c) Koje boje je otopina? d) Ako se doda lužini u otopinu koja sadrži Cu 2+ ione, što nastaje? e) što je galvanizacija?
L
Prikaži reakciju zagrijavanja modre galice. a) Kad se ohlade, kristalima se doda par kapi vode. Koje boje ponovno postaju ti bijeli kristali? b) PrLkaži to reakcijom.
L
Usporedi reaktivnost željeza i bakra u kiselinama. Fe + HCI, koncentrirana reagira
reagira
L
razrijeđena
reagira Fe + HN(1, koncentrirana
Fe + H2 S04 , koncentrirana ne reagira
Fe + H?SO4,
reagira
ne reagira
Željezna pločica uronjena u otopinu CuS0 4 brzo se prekrije slojem bakra. Zašto?
Kemija u 24 lekcije
147
1:4: Tehnički važni metali ft_ a) Koja će se jakost struje proizvesti kroz 8 h elektrnlizne rafinacije od 80 kg bakra?
h) Kolika masa halkopirita bi bila potrebna za proizvodnju 80 kg bakra? (iskorištenje je 100 %.)
L
Izračum~j
masu S02 koji nastaje reakcijom I t bakrova(II) oksida i bakrova(I) sulfida.
1 O. Kolika masa CO se 11troši za proizvodnju 2,5 kg željeza iz F ep3? 11,_ Napiši formule sljedećih rnda aluminija, bakra i željeza. Fe
AI
Cu
hematit
boksit
halkopirit
limonit
bekit
halkozin
magnetit
hidrargHit
kuprit
siderit pirit
12. Za zaštitu vinove loze koristi se"bordoška j11ha (smjesa vodene otopine modre galice 11
i g;išenog vapna). Koja je uloga svakog sastojka?
13. Jedna od reakcija dobivanja sirovog željeza je redukcija rnde hematita s ugljikovim monoksidom. a) Prikaži tu jednadžbu uz označavanje agregacijskih stanja. b) Što je redukcijsko sredstvo u zadanoj reakciji? c) Koji su produkti p1i proizvodnji željeza u visokoj peći? d) Željezo je metal podložan koroziji. Napiši kemijsku formulu hrđe i njezino kemijsko ime. e) Željezo se može zaštititi pocinčavanjem. Koji metal u tom slučaju oksidira i zašto? 0 E \elfe2+= -0,44 V, E Zn!Zn'• = - 0,76 V. f) Napiši shemu tog galvanskog članka. g) U kojem se smjeru gibaju e- vodičem, a u kojem anioni u elektrolitskom mostu?
148
Kemija u 24 lekcije
15. lekcija
.
-~..__
-
_
..,,,,_..
-
~
115. Vodik i plinskmkoni 'Vodik Vodik je najrasprostrnnjeniji element u svemiru s masenim udjelom 75 %. U obliku spojeva je najprisutniji u vodi, koja prekriva gotovo dvije trećine Zemljine površine. Sastavni je dio nmogih organskih spojeva, kiselina, lužina ... Po broju atoma, treći je, odmah nakon kisika i silicija, a po rnasenom udjelu je na desetom mjestu. Esencijalni je element živih bića. Nalazimo ga u svim organskim spojevima, a zbog male polarnosti veze C- H uzrokuje stabilnost organskih spojeva. Veze N- I-1 i 0 - H su jako polarne pa se povezuju vodikovim v ezama što je važno za postojanje i djelovanje mnogih biomolekula. Otkrio ga je H. Cavendish 1766. g. reakcijom cinka i klorovodične kiseline.
----
Tablica 15.l. Fizikalna i kemijska svojstva vodika
- 259 °C -253 °C
ov
2,2
o p
T
D
Gustoća
0,08988 kg/1113
1,00794(7)
Vodik je jedini element čiji izotopi imaju svoje simbole (procij, deuterij i tricij, pogledati cjelinu o građi atoma). Vodik je plin bez boje, mirisa i okusa, 14,4 puta lakši od zraka (Mrzraka = 29), neotrnvan je i nije zagušljiv. Gradi dvoatomne molekule H2 . Slabo je topljiv u polarnim, a bolje u nepolamim otapalima. Lako je zapaljiv. Smjesa vodika i zraka u kojoj je volumni udio vodika 18 - 60 % je eksplozivna (izaziva je iskra) . .6.I' H = -483,6 kJn101- 1
( oslobađa se mnogo energije, pa se upotrebljava za postizanje visokih temperatura) Na sobnoj temperaturi nije previše reaktivan, no pri višim temperaturama ulazi u niz reakcija. Olapa se lu mnogim metalima, kao što je platina. Pri sobnoj temperaturi bez katalizatora reagira sa~no s fluorom i vanadijem u prahu. Razlog slaboj reaktivnosti molekulskog vodika pri s;obnoj temperaturi jaka je jednostrnka kovalentna veza u molektili . Ta veza je m~jjača od svih jednostrukih kovalentnih veza između dvaju istovrsnih atoma (f../l = 435 kJ/mol). Nema stalno mjesto u PSE, pa kažemo daje element sam za sebe. Konfiguracija mu je ls1• Jma jedan valentni elektron (sličnost s alkalijskim metalima), ali mu i nedostaje j edan elektron do stabilne konfiguracije (sličnost s halogenim elementima). Po kemijskim svojstvima ne pripada niti jednima nili drugima. Ima elektronegativnost veću od alkalijsk.ih elemenata, a manju od halogenih elemenata.
S nemetalima se povezuje kovalentnom vezom. S metalima gradi ionske spojeve jer prima elektron od metala pa mu je oksidacijski broj u metalnim hidridima - I. Laboratorijsko dobivanje Najčešće se
kiseline):
I
dobiv,a reakcijom cinka i klorovodične kiseline (ili razrijeđene sumporne
I
Zn
150
Kemija u 24 lekcije
2
Zn + + H2 (g)
Zn(s) + 2HCl(aq} -
ZnCl2 (aq) + H2 (gl
-
--
egzote1mna t:;.H
reakcija
Za razvijanje plinova u laboratoriju koristi se Kippov aparat jer se reakcija u njemu može prekinuti i na taj način proizvesti samo potrebne količine plina. Može se dobiti i reakcijom vode s čvrstim hidridima (kalcijev hidricl): 2
2Hp + CaH2 (s) ----> 2H 2 (g) + Ca + + 20Hto je zapravo redok.s-proces, kod kojeg atom vodika iz molekule vode oksiclira negativan hid,icl-ion iz kalcijeva hidrida: H + + H-
---->
H2 (g)
Kippov aparat
te reakcijom metala negativnog redukcijskog potencijala s lužinama ako ti metali stvaraju hidrokso-komplekse: 2Al(s) + 6H20 + 20W-> 2Al(OH)4- + 3H2 (g)
Industrijsko dobivanje a) U zemljama gdje je električna energija jeftina, vodik se dobiva elektrnlizom vode, u koju smo dodali alka1ijske hidrokside zbog povećanja lužnatosti, a time i vodljivosti:
•
katoda (- ): 4Hp + 4e- -> 2H2 (g) + 401-r anoda(+): 401-I- -> 0 ?(•)+2H?0 + 4e- g
-
2Hp---+ 2H2 (g) + 0 2 (g) b) Jedna od najraširenijih i najjeftinijih metoda jest piroliza ugljikovodika:
C2H6 (g) ----> C}-I4 (gJ + H2 (g> c) Reakcijom metana s vodenom parom pri 1100 °C nastaje: CH4 (g> + Hp !:; co(gJ + 3H2 (gJ
c,. 1.H == 214,4 kJ mor
1
d) Kada je lako dostupan i jeftin ugljen, koristi se redukcija vodene pare, a nastaje vodeni plin: f:!.,.H == 131 ,25 kJ mo1- 1
Vodik se koristi za sintezu amonijaka i metanola, za proizvodnju goriva za motorna vozila, za zavarivanje i taljenje metala, za redukciju metalnih oksida u metale (CuO(s) + H !Jl ----> Cu(s) + I-120 < ) , hiclrogeniranje ulja u masti itd. Smatra ga se novim izvorom 2 energ1Je, njegove predn6sti su: visoka energetska vrijednost, neograničene količine dostupne u spojevima, izgaranjem daje kemijski čistu vodu, cjevovodima se može razvoditi na daljinu. Kemija u 24 lekcije
151
15·. Vodik i plinski zakoni Nedostatci njegove raširenije primjene su: visoka cijena i slaba isplativost izvlače nja vodika iz spojeva, curenje vodika kroz spremnike i cjevovode (malene molekule), difundiranjem u metale narušava se njihova kristalna rešetka čineći ih krtima, predstavlja opasnost za ozonski sloj jer trenutno reducira ozon u vodu.
]
IPlinovi Svi plinovi imaju slična fizikalna svojstva (iako su čestice plinova različite, ista fizikalna svojstva se koriste u radu automobila ili pripravi kruha). Plinovito agregacijsko stanje karakterizira nestalan volumen i oblik. Stanje plina je određeno njegovom temperaturom, tlakom i volumenom. Za iskazivanje temperature koristimo kelvin (K), za volumen dm3, a za tlak paskal (Pa). Aspekti ponašanja plinova po kojima se razlikuju od tekućina i krutina su:
l. volumen plina se znatno mijenja u ovisnosti o tlaku 2. volumen pina se znatno mijenja u ovisnosti o temperaturi 3. plinovi imaju različitu viskoznost
4.
većina plinova ima relativno malu gustoću pri nonnalnim okolnostin1a ( obično se iskazuje u jedinici g/L dok se ista za krutine i tekućine iskazuje u g/mL); oko l 000 puta je manja gustoća plinova od krutina i tekućina
5. plinovi se međusobno dobro miješaju (npr. čisti, suhi zrak je smjesa 20-ak plinova) za razliku od tekućina i krutina. Plinske molekule su u stalnom gibanju pa pokazuju pojavu difuzije (Grabamov zakon difuzije), a kako molekule plina udaraju o stijenku posude u kojoj se nalaze, sudari su odgovorni za postojanje tlaka plina. Tlak plina jednak je sili koju iskazuju molekule plina svojim udaranjem na određenu površinu stijenke posude. SI jedinica za tlak je paskal (Pa). 1Pa odgovara tlaku koji proizvodi sila od l N na površinu od J m2. N
Pa = m2
lbar = 105 Pa
(lPa=lNm-2) (lN= Lkgms- 2);
l m 3 = 103 dm3 = 103 L= 106 cm3 = 106 mL l dm3 = 1000 cm3 = 10 3 cm3 1dm 3 = I 000 000 mm3 1 dm 3 = 10-3 m3
l Pa = l 0-3 kPa = 10-2 hPa I bar = 100000Pa Prosječni tlak na morskoj površini održava stupac žive na visini 760 mm, pa se ta vrijednost naziva tlakom od 1 atmosfere.
l atm = 760 mmHg = 101 325 Pa= 101,325 kPa l mmHg (Torr) = 133,322 Pa
1 mm Hp = 9,806 Pa
152
Kemija u 24 lekcije
~linski zakoni Tablica 15.2. Sastav zraka
1., masa
Sastojak
% volumen
N2
78,08
75,52
02
20,95
23,14
Ar
0,93
1,29
co2
0,037
0,05
Ne
1,82 · 10-3
1,27 · 10-3
He
5,24 · 10-4
7,24 · 10- 5
CH 4
l,7·10-4
9,4 .10- 5
Kr
1,14· L0-4
3,3 · 10-4
0
I
Plinski zakoni
Fizikalna ponašanja nekog plina mogu se opisati četirima veličinama: tlakom (p), volumenom (V), temperaturaom (1) i količi naom (n) . Te su veličine međusobno ovisne: bilo koja od njih može se odrediti ako se izmjere ostale tri. Tri su plinska zakona: 1) Boyleov zakon 2) Charlesov zakon 3) Avogadrov zakon.
Sva tri zakona zajedno daju idealni plinski zakon koji opisuje stanje idealnog plina u kojem je linearna ovisnost V,p, Ti n. Kako idealni pli n ne postoji, većina plinova kao što su dušik, vodik, kisik i plemeniti pl inovi pokazuju sličnosti s idealnim plinom na prosječnoj temperaturi i tlaku.
Boyle-Mariotteov zakon (zakon izoterme) Pri stalnoj temperaturi umnožak volumena i tlaka određene mase p lina je konstantan. Volumen (obujam) Vi tlakp su obrnuto proporcionalni: veći obujam znači manji tlak, te manji obujam znači veći tlak. P 1 • V 1 = p 2 · V2
(T= konst.)
Eksperimente su odvojeno radili J. A. C. Charles i J. L. Gay-Lussac i došli do istih saznanja. ispitivali su odnos volumena plina konstantne mno·žinc i tlaka pri različitim temperaturama.
Gay-Lussacov zakon Volumen temperatuti.
određene
Ako se poveća T,
mase plina pri konstantnom tlaku razmjeran je termodinamičkoj
poveća
V.
T,
-1. =
_L
V2
T2
(p
=konst.)
se V i obrnuto. Kemija u 24 lekcije
153
--1w
---
-
-
--
-
-
15. Vodik i plinski zakoni Charlesov zakon Tlak određene mase plina pri konstantnom volumenu razmjeran je tennodinarničkoj temperaturi. p T. 1 = -L (V = konst.)
P2
Tz
Avogadrov zakon Ov~j zakon govori o odnosu volumena i kol i čine plinova (dvosttuko veća količina plina zauzima dvaput veći volumen), znači da povećanjem količine dolazi do povećanja volumena. V
- = konstanta
V = konstanta · n
n
Ako se mijenjaju tri veli čine koje pokazuju stanje plina, odnos i zmeđu tih veličina pokazuje opća plinska jednadžba: p·V=n ·R·T
I ki e s 1·· . • · mase m odnosno p · V = -m · RT · oca trec11· izraz za racunan1e
M
"
"
p·R·T =""---
M
Podijelimo li gornju jednadžbu s V, dobit ćemo izraz za računanje gustoće (mN): m m R-T R·T p·V =-·R- T=:;, p = ----=:;, p = p·--
M
R = opća plinska konstanta
•
V
R = 8,314
I
P1V, = p 2V2
M
JK- 11110 1- 1
(J = Nm) Opća
plinska jednadžba stan·a lina
Sve tri zakonitosti izražene jednom jednadžbom
I
T= konst.
M
-P1f!i- = -P2V2 -
Ti
a) p = konst. -T~ = -Ti
v2
T2
b) V = konst. Pi 7; -= -
Ti
Ako u izraz uvrstimo samo konstantne veličine, dobit će se nova konstanta.
pV = nRT
Rje opća plinska konstanta i iznosi
p
R = 8,314 n<.- 111101- 1. 101 325 N m-2 ·0,022 m 3 mor T 273,15 K =8, 314 JK- 1mo1-1
pV
V = .!!!.._RT lvf
1
Napomena:
Temperatura se mora uzeti u kelvinima (K). Kelvinova i Celzijcva ljestvica povezane su prema:
T [K] = 273, 15 + t [ 0 C] Standardna temperatura i tlak odnose se na 273, 15 K (O 0 C) i 10 l 325 Pa ( 1 atm).
154
Kemija u 24 lekcije
Svaki plin iz smjese zauzima cijeli prostor u kojem se nalazi zbog svojstva ekspanzije.
Daltonov zakon parcijalnih plinova: U plinskoj smjesi molekule plina ponašaju se kao da nema onog drugog plina, odnosno svaki plin tlači svojim parcijalnim plinom kao daje sam. Ukupni Llak plinske smjese je zbroj tlakova svih komponenata koje sačinjavaju tu smjesu:
P = Pi + P2 + p 3 + ··· =
lP;
p = ukupni tlak p ,p 1
2
,
P:i ... =
parcijalni tlakovi pojedinih plinova iz smjese.
Parcijalni tlak nekog plina označava tlak koji bi imao taj plin kad bi se sam nalazio u istom prostorn i pri istoj temperaturi. Parcijalni tlak pojedine kompon'ente ovisi o njenoj množini pa vrijedi: -Pt = - n1
P
Ln
-
množinski udio komponente 1, označavamo ga s x 1 pa vrijedi: P1 = x 1 ·p
Parcijalni tlak plina je jednak urnnošku množinskog udjela tog plina i ukupnog tlaka plinske smjese. Idealni plin je matematička apstrakcija. Idealni plinovi ponašaju se točno prema općoj plinskoj jednadžbi. Idealnih plinova u prirodi nema. Mjerenja su pokazala da realni plinovi (tj. stvarni plinovi) odstupaju od tog zakona. No, pri običnim uvjetima odstupanja su mala i nestaju u slučaju beskonačno rijetkog plina. Realni plinovi, kao što su vodik, dušik i kisik, već se pri sobnoj temperatu,i i normalnu atmosferskom tlaku ponašaju prema općoj plinskoj jednadžbi.
Kemija u 24 lekcije
15. Vodik i plinski zakoni
15. lekcija
.!.:__ Uzeto je 0,2 g granula Zn i malo otopine modre galice te stavljeno u Erlenmeyerovu tikvicu, a u lijevak za dokapavaje ulivena je raz1ijeđena HCl. Modra galica se dodala radi lakše topljivosti cinka: cink reducira ione bakra u elementarni bakar koji se izlučuje na površini granula cinka. a) Prikaži opisanu reakciju galvanskog članka. b) Koji se plin razvijao kad se otv orio pipac lijevka za dokapavanje? Prikaži reakciju. c) Izračunaj volumen vodika koji se teoretski lTeba razviti iz odmjerenog uzorka metala.
~ Koliko molekula sadrži I kg vodika? (Avogadrova konstanta NA= 6,022 · 1023 moi-
1 ,
A·/(H2) = 2 g/mol). ~ Odredi količinu topline koja se utroši za prijelaz 5 L plinovitog vodika iz molekula u
atome pri 25 °C i tlaku od 3,3 bara. ~ Vodik se može dobiti iz metana. Napiši izraz za KP te reakcije. Kako na ravnotežu utječe:
a) povećanje tlaka d) dodatak katalizatora
b) smanjenje tlaka
c) povišenje temperature e) dovođenje veće količine metana u reakciju?
~ U organskim reakcijama često se koristi litij-aluminijev hidrid kao redukcijsko sred-
stvo. a) Objasni zašto je on redukcijsko sredstvo. b) Prikaži redukciju karbonilne skupine aldehida propanala.
!:._ Reakcijom kalcijeva hidrida i vode razvija se vodik. a) Prikaži jednadžbu te reakcije. b) lzračunaj volumen vodika koji se razvije pri 30 °C i tlaku l, I bara ako se u reakciji utrošilo 1Og kalcijeva hidri da.
!._;_ Prikaži grafički promjenu entalpije za reakciju dobivanja vodika iz atoma. ~ Prikaži jednadžbe reakcija plinovi tog vodika s dušikom, kalcijem i bakrovim (II) ok-
sidom. U kojoj reakciji je vodik oksidacijsko, a u kojoj redukcijsko sredstvo? ~ Izračuna.i reakcijsku entalpiju za sljedeću reakciju:
2C2Hz (g) + 502 (g) __. 4C02 (g) + 2Hp (I)"
1O. Je li veći maseni udio vodika u sumpornoj ili sumporastoj kiselini?
!!.: Prouči ponuđenu reakcijsku shemu i ispiši kemijske fonnule tvari označenih kao A(s)' B
156
(aq)'
C
(aq)
iD .
Kemija u 24 lekcije
(g)
.
15. lekcija: Zadatci o vodiku
~
+Oi(g) ~
L..::.__j +HCl(aq)
B(aq) + HzC(l)
!
+ H20(g)
C(aq) + D(g)
a) Tvar A(s}je: _ _ _ _ _ _ b) Tvar B(aq)je: _ _ __ __
c) Tvar C(aq) je: - - - -- d) Tvar D(g)je: _ _ __ _ _ e) Tijekom reakcije kalcijeva oksida i vode dolazi do promjene temperature sustava. Ta se pojava rabi za zagrijavanje sadržaja nekih limenki.. Je li to egzotermna ili endotermna promjena? t) Napiši jednadžbu kemijske reakcije za promjenu opisanu u zadatku e).
12. Metanol se proizvodi sintezom koju prikazuje slj edeća ravnotežna jednadžba: CO+ 28i (g) CH:i°Hcg>
t:.rH> O
3
U zatvorenoj posudi volumena 10,0 dm pomiješano je 1,00 mol molekula ugljikova monoksida i 1,00 mol molekula vodika pri temperaturi od 210 °C. U stanju kemijske ravnoteže u reakcijskoj smjesi prisutno je 0,0892 mola molekula metanola. a) Izračunajte ravnotežne množine reaktanata, n (CO) i n(H2). b) Izrač unajte množinsku koncentraciju molekula metanola u ravnotežnoj smjesi. c) Izračunajte koncentracijsku konstantu ravnoteže za sintezu mctanola pri temperaturi pokusa_ d) Kako se može tlakom utjecati na ekonomičnost procesa proi.zvodnje metanola s obzirom na zadanu jednadžbu kemijske reakcije? e) Kao što je napisano u tekstu zadatka, za reakciju dobivanja metanola vrijedi t:.,H> O. U kojem će se smjeru pomaknuti kemijska ravnote:Za ako povisimo temperaturu?
13. S komadića tvari X nožem je odstranjen površinski sloj. Očišćeni komadić tvari ubačen
je u veću čašu s vodom kojoj je prethodno dodan fenolflalein. Ubačena tvar bumo je reagirala i brzo kružila po površini vode. Fenolftalein se obojio. U jednome se trenutku zaostali dio komadića tvari zaustavio uz stijenku čaše i potom zapalio. Plamen je bio žule boje. a) O kojoj je tvari riječ? b) Napišite jednadžbu kemijske reakcije za kemijsku promjenu koja je opisana u zadatku. c) Komadić tvari navedene u zadatku reagirao je s vodom pri čemu je nastalo 1 000 cm3 plina pri 17 °C i 90 kPa. Kolika je masa navedene tvari koja je reagirala s vodom?
Kemija u 24 lekcije
157
15. Vodik i plinski zakoni
15. lekcija
L L
Tlak od 0,15 kPa iskaži u: a) paskalima
L L
Odredi volumen kisika mase 5 g pri temperaturi od 80 °C i tlaku od 800 mbar.
L
lzračunaj
volumen ugljikova(lV) oksida pri temperaturi od 17 °Ci tlaku od 98,6 kPa le masu kalcijeva oksida koji nastaje potpunim raspadom kalcijeva karbonata mase 200g.
L
Koliki volumen pri 20 °C i tlaku od I bar zauzima kisik dobiven zagrijavanjem 5 g KCIO,?
L
Reakcijom cinka i fosfatne kiseline razvije se 5 dm 3 vodika. Odredi množinu vodika ako se reakcija odvija pri temperaturi od 25 °C i tlaku od 1,3 · 103 Pa. Odredi potrebnu masu cinka za reakciju.
b) barima
c) mili.barima.
3
100 cm pl ina nalazi se na temperatmi od 35 °C. Ako tlak ostane nepromijenjen, koIiki će biti volumen plina pri 120 °C? Reakcijom aluminija i sulfotne kiseline razvija se vodik. Tzračunaj volumen vodika ako se reakcija odvija pri tlaku od 942 mbar i na temperaturi od 35 °C. Za reakciju je utrošeno 1,2 g aluminija.
·'
L U zatvorenoj posudi je plin molame mase od 32 g mo1- 1, tlak je 1,2 kPa, a temperatura 400 °C. Izračum~j gustoću plina.
L
Žarenjem CaCO:, sakuplja se plinoviti C0 2 u evakuiranoj posudi sa zatvorenim krajem. Kad se sustav izjednači sa sobnom temperaturom T, D1, = 291 ,4 mml-Ig. Izraču najte tlak C0 2 u ton 1, atm i kPa!
10. Metan na 23 °Ci 0,991 atm se nalazi u nekoj posudi. Kad se ta posuda stavi u vodu temperature 100 °C, koliki će biti tlak (t01T) metana?
1h Cilindri s
vruću
klipom su prikazani s odgovarajućim plinskim reakcijama pri konstantnom p. Prije reakcije Tje 150K, kada je reakcija gotova T je 300 K.
poslije 300 K
Koju od sljedećih izjednačenih reakcija ptikazuje promjena u cilindru?
a) A 2 (gl + B 2 (lil ~ 2AB(gl c) A (g) + B 2 (g) ~ AB 2 (gl • I torr {prema E. Torricellij u) " 133,322 Pa.
158
Kemija u 24 lekcije
b) 2AB(g) + B 2 (gl ~ 2AB2 (gl d) 2AB2 Cg) ~ A 2 (g) + 2B2 (g)
/
16. lekcija
16. Halogeni i halkogeni elementi
IHalogeni elementi To su elementi 17. skupine PSE, pripadaju im fluor, klor, brom, jod i astat, a tvore dvoato1Jll1e molekule: F2 ( •)' Cl2 ( •) ' Br2 cr , 12 (s)' Fluor i i klor su plinovi, brom tekućina, a . d kru tma . Jer . s porastom gatomsKog 1~ broJa ) raste 1• vo [umen atoma te pnv • Iacne L on donove JO sile među molekulama. At je radioaktivan, vrijeme poluraspada njegova najstabilnijeg izotopa 2 10Atje 8.,3 h. v
Oni su najreaktivnija skupina nemetala. Među molekulama vladaju Van der Waalsove privlačne sile (otuda im raznolika agregacijska stanja). Imaju najveći afinitet prema elektronu i elekh·onegativnost te najpozitivniji redukci,jski potencijal (najjači su oksidansi). Oksidacijski broj im je: -1, + 1, +3, +5, +7, a za fluor samo - 1. Fluor je najjači oksidans od svih elemenata, a oksidacijska moć u skupini pada od vrha prema dolje.
Tablica 16.1. Svojstva halogenih elemenata Fluor (F)
boja i agregacijsko stanje
Klor (CI)
blijedožuti plin žutozeleni plin
Brom (Br)
.Jod (I)
tamnocrvena
ljubičastocma
tekućina
krut ina
talište
-220
-101
- 7.2
114
vrelište
- 188
-35
58,8
184
4,0
3,2
2,8
2,5
2,866
1,358
l,065
0,535
elektronegtivnost
F:J
Dobivaju se elektrolizom vodenili otopina halogenida, osim fluora jer on oksidira kisik iz vode pa ga dobivamo elektrolizom taline.
2F2 (g) + 2Hp(I) -
4HF (g) + 0 2 (gJ Gači oksidans istiskuje slabiji).
HF nagriza staklo pa se ne može čuvati u staklenoj boci, već se skladišti u plasti čnoj boci: 4HF(gl + Si02 (s) - Sif4 (s) + Hp(ll
Elektronska konfiguraci.ia zadnje ljuske im je: ns 2np 5, zato s metal.ima grade ionske spojeve jer primaju jedan elektron metala. M - M+ + e- (npr. alkalijski metal otpuštajedan elektron)
X+ e- -
x-
(halogeni. element prima jedan elektron i postiže oktet)
Metalni halogenidi se najčešće proizvode reakcijiom metala i seline (ili s halogenim elementom). M + HX-MX+H2 2M + ~-2MX 2Na(s) + Cl2 (g) -
160
Kemija u 24 lekcije
2NaCl(s)
hal ogenovodične
ki-
Kova)entni balogcnidi nastaju reakcijom izravnog spajanja s nemetalima. Među njima djeluju slabe Van der Waalsove sile i zato su kovalentni halogenidi pretežno plinovi ili tekućine. 2P4 (s) + 10C12 (g) -
4PC15 (s) (Klor oksidira fosfor, vrlo buma i egzotennna reakcija).
Halogenovodici Svi su halogenovodici HX (tluorovoclik, bromovodik, klorovodik i jodovodik) pri sobnoj temperaturi plinovi koji su dobro topljivi u vodi jer kemijski reagiraju s vodom i grade halogenovodične kiseline:
HX(g) + H2 0(I) - H30\1ql + x
-(aq)
Anion kiselinskog ostataka, x-, naziva se halogenid-ionom (klorid-ion, bromid-ion .. .), a njegove soli su halogeni di (kloridi, bromidi, jodidi, tl uoridi).
Tablica 16.2. Kiseline i njihove soli Natrijeva sol
Halogenid ion
Kiselina (fluorovodična)
p-
NaF natiijev fluorid
HCl (klorovodična)
ci-
NaCl natrijev klorid
HBr (bromovodična)
Br-
NaBr natrijev bromid
HF
1-
Hl (jodovodična)
Nal natrijev jodid
Disp.roporcioniranje halogenih elemenata u vodi
~ + Hp(I) -
HXCaql + HXO(aq)
(X= Cl, Br, I)
Disproporcioniranje halogenih elemenata u lužini: X 2 + 20H- (aql -->
x - (aq)
+ ox- (aq) + H 20CI)
Minerali:
halit - NaCI
kamalit - KICMgCI2 · 6 H20
kriolit - Na3AfF 6
silvin-KCl
fluorit - CaF
natrijev klorid - NaCI
2
Klor je najrasprostranjeniji halogeni element (sol, NaCI.) kojeg nema slobodnog u prirodi zbog velike reaktivnosti. Najviše se primjenjuje od svih halogenih elemenata, npr. u industriji papira kao sredstvo za izbjeljivanje, za dezinfekciju vode ... To je plin, žutozelene boje, gušći od zraka, oštrog i bockajućeg mirisa, vrlo je otrovan, nadražuje sluznicu dišnih organa. -1 Kiseline klora: kJ01idna (klorovodična) - H Cl w(HCI u želučanom soku)= 0,5 %. +I
hipokloritna (hipoklorasta) - H CI O •t-3
kloritna (klorasta) - H Cl0 2 +5
kloratna (kJoma) - H Cl 0 3
+7
perkloratna (perkloma)- HC[0 4 najjača poznata kiselina Kemija u 24 lekcije
161
16. Halc.igeni i halkogeni elementi Dobivanj e klora: a) Elektrolizom taljevine i vodene otopine NaCI jer se klor razvija na anodi. b) U reakciji jakih oksidacijskih sredstava s
klo rovodičnom kiselinom
(laboratorijski) :
2KMn04 +16HCI - > 5Cl2 + 2MnC12 + 2KC1 + 8H 20 ili Mn02 + 4HCI ili 14HC1 + K 2Crp
7
->
->
Cl2 + MnCl 2 + 2H/>
3Cl2 + 2CrCl 3 + 2KC1 + 7Hp
Klorna voda nastaje otapanjem klora u vodi i se klor disproporcionira.
djelomičnom
reakcijom s vodom, pri
čemu
Cl 2 (g} + t t p(I} -> HCl(aq} + HClO(aqJ HClO - HCl + O (nastaje atomski ili nanscentni kisik) Hipoklorasta kiselina (HClO) je slaba i nestalna pa se razlaže uz otpuštanje atomskog ili nasccntnog kisika. Klor koji nije kemijski reagirao ostaje otopljenu vodi., a ta se otopina naziva klorna voda. K loma voda se čuva u tamnoj boci jer klor na svjetlu oksidira kisik iz vode pri čemu nastaje elementarni kisik. Klor je reaktivniji od broma i joda pa ih može iz njihovih soli i.stisnuti. Cl2 + 2KBr - t Br2 + 2KC1 ili Cl2 + 2Kl -> 12 + 2KC1 (Elementarni jod ne istiskuje brom jer je negativnijeg red ukcijskog potencijala od broma.)
Klorovodik je otrovan i lakozapaljiv bezbojan plin oštrog mirisa, a u dodiru s vlažnim zrakom se "dimi" jer nastaju kapljice klorovodične kiseline. Dobivanje kloridne (klorovodi čne) kiseline - otapanjem klorovodika u vodi: HCl(gJ + H 20-+ H 30 \ ql + c 1-(aq) ci- ioni dokazuj u se otopinom srebrova nitrata: c1 - + Ao-+ -> AuCI + NO-3 (aq) O (a<1) + No0 (aqJ 3 (Hq.) (s) (bijeli ta log)
Dobivanje klorovodika: I\ (gl + CT2 (g) - 2HC\gJ (industrijski) ili NaCI + H 2S04 -> HCl(g} + NaHS04 (laboratorijski)
162
Kemija u 24 lekcije
.
- _
-~-
----
Halkogeni elementi Vodikov praskavac:
omjer 2: I omjer 1: 1
Klorui praskavac:
Klorovodična kiselina je jaka kiselina, w(HCI) = 36 %, a koristi se u proizvodnji anorgansk ih i organskih spojeva, u tekstilnoj industriji, u dom aći nstvu .. .
IHalkogeni elementi To su elementi 16. skupine PSE. Pripadaju im kisik, sumpor, selenij, telurij i polonij. Nemetali s u kisik i s umpor, a polumetali selenij i tclurij dok j e polonij radioakti van. Osim polonija u elementarnom stanju tvore dvoatomne i višeatomne moleku le. Kisik pokazuje paramagnetična svojstva što upućuje na postojanje nesparenih elektrona, ali uobi čaj eno se prikazuje dvostmkom vezom . Sumpor gradi S 2 tek pri temperaturi i7.nad 600 °C , a pri sobnoj temperaturi gradi prstenastu S8 molekulu. Selenij takoder gradi Se8, ali j e lančasta, dok telurij gradi lančaste Ten molekule. Javlj aju se u v iše alotropskih modifikacija. Elem en t
li:H·ljjlil---
kisik
0
sum por
Gustoća
bez boje
32
0,0013
si!
žuta
256
2,07
seleni.i
Se8
siva
631,7
4,8
tclurij
Ten
siva
n=8
2
1020
6,24
Grade ionske i kovalentne spojeve. Reakcija s zemnoalkalijskim metalima: 2Mg + 0 2 - >2Mg0 Metal otpušta dva e lektrona koja oni primaju i p ostižu oktet (ionska vez.a). Reakcijom s nemetal ima grade kovalentne veze tako da dijele zajednički el. par.
=$·+·H+·H - ? · Š:H--+ ~ S- H
..
I
H
H
Kisik je najzastupljeniji element u stijenama Zemlje i Mjeseca. To j e plin bez boje, okusa i mirisa koji ne gori, ali podržava gorenje. U atmosferu dospijeva kao proizvod fotosinteze:
U tijelu sudjeluje u oksidaciji glukoze u staničn om disanju ( u mitohond riju) čime se oslobađa energija. Vrlo je reakti van pri pov išenoj temperaturi pa reagira sa svim elementima osim plemenitih plinova. Talište muje - 219 °C, a vreliš te - 183 °C. Oks idacijski brojevi su mu -1, - II, - 1/11. Najpoznatiji s pojevi kisika su oksidi koji mogu biti oksidi metala ili oksidi nemetala.
163
Kemiia u 24 !ekaJe
-
-
-
-
-
-
-
- -
-- -
-
16. Halogeni i_halkogeni elementi Dobivanje kisika:
I. elektrolizom vode 2. frakcijskom destilacijom tekućeg zraka (Lindeov uređaj) - ukapljeni tekući zrak se zagrijava i odvajaju se dušik i kisik na temelju različitih temperatura vrelišta kisika (-183 °C) i dušika (- 196 °C) 3. u laboratoriju pirolizom spojeva koji ga sadrže: Mn02
30? + 2KCI
2Hg0 -, 0 2 + 2Hg
2KCI03
2KN03 -, 02 + 2KN02 2K1v1n04 - , 0 2 + K 2 Mn04 + Mn02
2HP2 -, 02 + 2Hp
Ozon - 0 3 je alotropska modifikacija kisika:
/0:
:o, ..
"'-O :
/~:
- : o, ..
~o :
Plavkasti je plin karakteristična mirisa. U tekućem i krutom stanju je eksplozivan, vrlo je jak oksidans (poslije fluora najjače oksidacijsko sredstvo). U vodi je 50 puta topljiviji od kisika jer su mu molekule polarne. Dobivanje:
hv
0 2 !:; 20 20 + 202 -, 203 Razaranjem sloja ozona nastaju ozonske rnpe kroz koje može prolaziti štetno UV pa je zadnjih godina povećan broj oboljelih od raka kože i očne mrene. Ozonski sloj je bitan za život na Zemlji zbog apsorpcije UV zraka. Ozon služi za sterilizaciju vode, operacijskih, kino i sportskih dvorana, koristi se u brojnim granama industrije. zračenje
Razaranje ozona pod utjecajem freona:
CFCI3 -, CFC12 + Cl CI + 0 3 - >CIO+ 0 2
CIO + O -, CI + o,
Vodikov peroksid - HzD 2 , u njemu je oksidacijski broj kisika - I (peroksid ion 0 22-) -1
-1
Služi kao oksidans H 2 0 2 + 2K l + H 2 S04 -I
ili kao reducens
O -,
-2
h + K 2S04 + 2H2 O
+7
5H2 0 2 + 2K Mn O 4 + 3H2S04
+2 - , K 2 S0 4
O
+ 8H2 0 + 2 Mn SO 4 + 5 02
Sumpor je čvrsta tvar svjetložute boje. Netopljiv u vodi, ali topljiv u organskim otapalima. Tali se na 119 °C, a vrije na 445 °C. lma više alotropskih modifikacija: rompski, monokl inski i plastični sumpor. Sumpor se dobiva Frashovim postupkom. Zbog pjeskovitog tla ne može se otvoriti rudnik pa se sumpor tali pregrijanom vodenom parom. U nalazište se kroz posebnu cijev ubacuje komprimirani zrak koji istisne rastaljeni sumpor na
164
-~
Kemija u 24 lekcije
----
- - --
površinu. Sumpor nije topljiv u vodi, ali jeste u ugljikovu disulfidu i vrućem maslinovu ulju. Elementami sumpor pri sobnoj temperaturi nije reaktivan. Sumporovodik - H S 2
Dobivanje: l-12 + S-+ HzS
3
2 2
3
2
Hs- + H 0-+ H 0+ + s2Dokaz s
-
sulfidni ion
iona: olovo(II) acetat (nastaje crni talog PbS)
-
Sumpor gradi okside koji u reakciji s vodom daju odgovarajuće kiseline: S -+ S02 -+ H 2S03 S -+ S02 -+ S03 -+ H2 S04 Sumporov(IV) oksid, S0 je bezbojan, otrovan plin neugodna bockava mirisa. Otro2 van je za niže organizme pa se upotrebljava za dezinfekciju vinskih bačava.
Dobivanje: S + 0 -+ S0 (gJ
Zapaljen, sumpor daje dioksid.
2
2
4FeS 2 + 1102 -+ 2Fep3 + 8S02 (gJ NaHS0 3 + HCJ-+ S02 (g) + NaCI + H 20 Cu + 2H2S04 -+ CuSO4 + S02 (g) + 2H2 0 S0 je anhidrid sumporaste (sulfitne) kiseline - srednje jaka kiselina 2
S02 (g) + 2Hz°-+ Hp+(aq) + HS0 3-(aqJ - hidrogensulfitni ion HS03-
(aqJ +
I-120-+ H 30 \ q) + so/-Ct1q) - sulfitni ion
Sumporna (sulfatna) kiselina - H S04 je jedna od najjačih kiselina. Čista sumporna 2 kiselina je uljasta, bezbojna i gusta, vrlo higroskopna tekućina.
··o··
H
"".o.-s-·o· H .. . .
H.
..o..
"" H
H2 S04 + ttp -+ Hp+ + HS0 4-
- hidrogensulfatni ion
HSO - +Hp -+ I-Ip+ + SO/-
- sulfatni ion
4
2 4
H so - +21-I 0-+2H o ++ so 2
4
2
3
Pri razrjeđivanju pOtTebno je uvijek dodavati kiselinu u vodu uz stalno miješanje (KuV).
Dobivanje H2S04 : kontaktnim ili katalitičkim postupkom koji dijelimo u tri faze: l. dobivanje S02 (spaljivanjem sumpora)
S+ 0 2 - >S02 2. katalitička oksidacija S02
3. apsorpcija SO, ·'
S03 + H2S04 -. H2SP1
pirosu.lfatna (pirosumporna) kise lina ili oleum se raz1jeđuje vodom:
T\Sp7 + r-rp-. 2tt2so4 Svojstva sumporne kiseline: oksidacijsko sredstvo (vruća H,S0 (k l je oksidans i r-0 _ 4. one. reagira s metalima pozitivnog .c ·, osim platine i zlata).
Cu(s) + H 2S04 (konc.) - . CuS04 (aq) + S02 (g) + 2H20 (1) Zn(s) + H2S04 (ktmc.) - . nema reakcije To je jaka kiselina. Razrij eđena kiselina reagira s metalima čiji je .Jf--l negativniji od vodika. Fe(s) + HzSO4 (rnzr.)-. FeSO 4 (uq) + H2 (g) Sumporna kiselina je jedan od deset najvažnijih spojeva kemijske industrije. Koristi se u proizvodnj i umjetnih gnojiva, umjetnih vlakana, eksploziva, kao akumul.atorska kiselina u autoindustriji ... Pare sumporne kiseline nadražuju dišne organe, korodiraju metale i uništavaju građevine. Danas su globalni problem kisele kiše koje nastaju reakcijom sumpornih i dušičnih oksida s kišom u atmosferi . Ti oksidi nastaju izgaranjem fosilnih goriva. Kisele kiše zakise ljuju vode i ti.o mijenjaj ući im pH, djeluju štetno na biljke (opadanje iglica, sušenje ... ). Sulfati su soli sulfatne kiseli11e.
166
Kemija u 24 lekcije
16. lekcija: Zadatci
16. lekcija
·Zadatci
L
Oksidacija S02 u S03 je spor egzoterman proces. Čime se može utjecati na pomicanje ravnoteže u stranu produkata?
L
lzračunaj pH sumporne kiseline koncentracije 0,25 mol dm- 3 .
b._ Aparatt1ra je složena prema slici. U tikvicu je stavljene 5 g Mn02 , a u lijevak za dokapavanje H/\
, pri čemu se razvija kisik.
a) Ako se u epruvetu napunjenu kisikom unese tinjajuća treščica, ona se rasplamsa. Zašto? b) U još jednu epruvetu napunjenu kisikom prinese se željezna vuna k~ja je prethodno žarena u plamenu plinskog plamenika. Što se događa? c) Prikaži to reakcijom. d) Koji spoj nastaje gorenjem željezne vune u kisiku?
L
Zagrijavanjem kalijeva pemrnnganata nastaje kisik. Kad se sadržaj epruvete ohladi jedan dio se uspe u čašu s vodom kojoj je dodana natrijeva lužina.
a) Kakva je promjena boje? b) Ako se dio te otopine ul.ije u drugu čašu i zakiseli sulfatnom kiselinom dolazi do promjene boje u ljubičastu. Prikaži to reakcijom.
L
Riješi redoks-jednadžbu: SO~- + H + + Cr2 0t -+ sot + Cr3+ + H 2 0 .
L
Aparatura j e složena prema slici. U tikvicu je stavijeno 5 g natrijeva sulfita, a u lijevak za dokapavanje je uli veno 50 mL sulfatne kiseline. Njenim dokapavanjem se razvija plin koji ima veću gustoću od zraka.
a) Napiši kemijsku reakciju. Imenuj plin koji se razvija. b) Objasni što se dogodilo s crvenim laticama u tikvici. c) Ako taj plin staviš u epruvetu i dodaš 5 mi destilirane vode, promućkaš i začepiš, nastaje nova tvar. Prikaži reakciju i imenuj nastalu tvar.
__ _ /
latice
Kemija u 24 lekcije
167
16. Halogeni i halkogeni elementi
!...:_ U prvu čašu su stavljene dvije žlice šećera, a u drugu komadić papira. Dolivena je koncentrirana sumporna kiselina. Što se može uočiti?
~ Zbog higroskopnosti koncentrirana sulfatna kiselina se primjenjuje za sušenje plinova i vezivanje vode pri organskim sintezama. Ako se u porculansku zdjelicu stavi
nekoliko kristali ća modre galice i doda nekoliko kapi koncentrirane sulfatne kiseline, do promjene. Prikaži promjenu jednadžbom.
doći će
~ Sumpor gradi dva oksida, S03 i SOr Kako kisela svojstva oksida ovise o oksidacij-
skom broju?
1O. Objasni zašto led pliva na vodi. ~ Prouči fazni dijagram vode. kritična
p/Pa
temperatura
a) Što označavaj u krivulje na dijagramu? b) Što je trojna točka? c) Što je kritična temperatura?
610,6
273,16
TIK
12. Izračunaj reakcijsku entalpiju za svaku fazu kontaktnog postupka kojim se proizvodi sulfatna kiselina. 13. Tijekom desalinizacije morske vode reverznom osmozom morsku vodu je potrebno stlači ti
tlakom
većim
od njenog osmotskog tlaka.
tlf
a) Koliki je najmanji tlak kojim je potrebno tlačiti uzorak morske vode pri 25 °C da se provede reverzna osmoza ako morska voda sadrži O, 70 mol/dm 3 NaCI? b) Analizom jezerske vode je utvrđeno da u jednoj litri ima 2 · 10- 5 mol Cu2·1 • Za ribe je smrtonosna koncentracija O, 1 mg/L. Hoće li ribe živjeti u tom jezeru?
polupropusna membrana
14. Reakcijom pokaži da sulfidni ion ne može biti kiselina.
15. Reakcijom 9 g aluminija s kisikom oslobodilo se 279 k.T energije. lzračunaj molarnu entalpiju stvaranja aluminijeva oksida.
168
Kemija u 24 lekcije
17. lekcija
17. Dušikova skupina To su elementi 15. skupine PSE. Imaju 5 valentnih elektrona ns2 np 3 . Porastom atomskog broja povećava im se atomski polumjer dok im se prva energija ionizacije i elektronegativnost smanjuju. Dušik i fosfor su nemetali, arsen i antimon polumetali a bizmut je metal.
------
Najčešći
oksidacijski broj
dušik
N2
Bez boje
7
14,01
-Ill, +V
fosfor
p4
Bijeli
15
30,97
+V
arsen
As4
Sivi
33
74,92
+Ul, +V
antimon
Sb4
Sivi
51
121 ,8
+m
bizmut
Bi
Sivi
83
209
+Ill
Dvoatonmu molekulu tvori samo dušik, a ostali tvore najmanje četveroatomne molekule (osim Bi). S drugim elementima ovi elementi grade ionske i kovalentne spojeve.
Dušik je plin bez boje, mirisa i okusa, ne gori i ne podržava gorenje, a može imati oksidacijske brojeve -UI, +I, +II, +III, +IV, +V, a najuobičajenije stanje mu je +lll i +V. Volumni udio dušika u atn1osfo1i je 78 %. Nešto je lakši od :zraka i slabo je topljiv u vodi, te kemijski ine1tan. Pri temperaturi od - 195,8 °C plinoviti dušik se ukapljuje. Talište mu je na - 21 O°C. Elementarnom dušiku je svojstvena izrazita kemijska neaktivnost temeljena na velikoj stabilnosti dvoatomnih molekula dušika, koja se može objasniti teorijom molekulskih orbitala. Budući da su svi elektroni spareni, dušik.je dijamagnetičan. Koeficijent elektronegativnosti po Paulingu mu je 3,0. Esencijalni je element (djetelina s pomoću bakterija u kvržicama korijena veže atmosferskj dušik u organske spojeve). Aminokiseline koje sudjeluju u izgradnj i proteina u svom sastavu imaju dušik. Elementarni dušik nije toksičan, ali uzrokuje gušenje ako istisne kisik iz pluća, pa se opasnost pojavljuje kod zarona na većim dubinama. Tablica 17.1. Oksidi dušika Oksidi dušika ·- Naziv oksida
Dobivan.ie oksida
Svojstva Udisanje izaziv a smijeh,
dušikov(!) oksid +2
NO
dušikov(IT) oksid
3
-t
Np + 2Hp :zove se i rajski plin, koristi se kao anestetik.
3Cu + 8HN0 3 (raz)---+ Bezbojan plin, slabo to3Cu(N0)2 + 2NO + 4Hp pljiv ti vodi, otrovan.
dušikov(III) oksid
Anhidrid dušikaste kiseline.
dušikov(TV) oksid
Plin crvenkastosmeđe boje, otrovan, topljiv u vodi, hlađenjem dimerizira.
dušikov(V) oksid
170
NH4N0
Kemija u 24 lekcije
2 H N 03(kouc) ---+
N 20 5 +Hp
Bezbojna čvrsta tvar, anhidrid dušične kiseline.
Dušikova skupina
Dobivanje dušika:
a) frakcijskorn destilacijom tekućeg zraka (Lindeov uređaj) b) u laboratoriju reakcijom amonijeva iona (iz amonijeva klorida NHFl) i nilTitnog
iona (iz natrijeva nitrita NaN0 2) N aN0 2 + NH4 CI - N 2 + NaCl + 2 Hp ( I) c) u laboratoriju termičkom razgradnjom arnonijeva nitrata NH4N02 . Amonijak, NH)e bezbojan, otrovan plin neugodna mirisa, lakši je od zraka. Koristi se kao rashladno sredstvo u uređajima za hlactenje. U reakcijama se ponaša kao baza. Može se ponašati i kao kiselina (rijetko) fom1irajući amidni ion (Nl-12- ), prema reakciji: Li 3N+ 2 NH3 -
3 Lt + 3 NH2-
0 snovnaje sirovina u proizvodnji umjetnih gnojiva. Topljiv je u vodi i reagira s njom arnonijevu lužinu:
dajući
NH3 (g) + I-~o-
NH/ (aq)
+ OH-(aq) najslabija Južina
N
/ ~ 1-1
II
H
Izgled molekule: trostrana piramida
Svojstva Gustoća
i faza
Tttlište Vrelište
- 33,34 °C (239,81 K)
Dobivanje amonijaka: 1. Industrijskim putem: Haber-Boschovom sintezom (sinteza iz elemenata) N (g) + 3 H (g)---+ 2NH3 (gl LlH < O, niža temp. t = 550 ° C i viši tlak p = l 50 - 400 bara 2 2 2. Laboratorijskim putem: 2NI\Cl(s) + CaO(s) ---+ 2NH3 (g) + CaCl2 (s)+ H2 0(g) Kalcijev oksid je jača baza i istiskuje slabiju (amonijak) iz njene soli.
NH3
lak.rnusov papir
171
Kemija u 24 lekcije
~
--
-
- - -
- - - -
--
1T. Dušikova skupina Soli proizvedene reakcijom amonijaka i kiselina poznate su kao amonijeve soli i sve sadrže amonijev ion (NT-I/ ). Amonijak je važan izvor dušika za žive sustave. Tako dušika ima u veli.kim količinama u atmosferi, svega je nekoliko živih bića sposobno koristiti taj dušik. Dušik je neophodan za sintezu aminokiselina koje grade proteine živih bića. Biljke leguminoze mogu obavljati fiksaciju dušika zbog simbioze s bakterijama koje obavljaju nitrogenu fiksaciju atmosferskog dušika u iskoristive nitrate i nitrite u tlu. Najhitnija primjena amonijaka je u proizvodnji dušične kiseline. Dušična
(nitratna) kiselina, HN0 3
jaka je kiselina i jako oksidacijsko sredstvo. Koristi se za proizvodnju umjetnih gnojiva, eksploziva, grav iranje i otapanje metala (zlatotopk a je omjer dušične i kloridne kiseline 1:3) ... Mineralna gnojiva: čileanska salitra (NaN03 ) ; KAN - kalcijev amonijev nitrat.
o
:I
U prisutnosti svjetlosti, čak i pri sobnoj temperaturi, dolazi do djelomične razgradnje uz nastajanje dušikova dioksida prema reakciji (otopljeni dušikov dioksid u kiselini daje žutu boju i nastaju crvenkastosmeđe pare): 4 HN03 ---* 2 Hp + 4 N02 + 0 2
(720C)
Disocijacija dušične kiseline: HN03 + H2 0 -
H3 0 + + No 3-
nitratni ion
Oksidira metale i nemetale: S+ 6HN03 ---* H 2SO 4 + 6 N02 + 2H2 0
Dobivanje dušične kiseline: 1. Jndustrijskim putem iz NH3 u tri faze (Ostwaldov postupak): a) oksidacija NH3 : 4NH 3 +50 2 ~ 4 N O(g) +6H 2 0 LlH< O, dušikov(II) oksid - bezbojan plin b) 2NO
+ 0 2 ---* 2N02 (g)
nastaje dušikov(IV) oksid - crvenosmeđi plin
c) 3N02 + H 2 0---* 2HN03 + NO nastali NO ponovno se vraća u proces - recikliranje Dobivena HN03 povremeno se ispušta i koncentiira., sve dok ne dostigne svoju maksimalnu koncentraciju od 68,5 %.
Fosfor se javlja u prirodi u spojevima, a potreban je živim organizmima jer ulazi u sastav kostiju i zubi i dr. Ime je dobio po fosforescenciji - isija.va slabo svjetlo jer oksidira s kis ikom iz zraka.
struktura bijelog fosfora
172
Kemija u 24 lekcije
. '·
Oksidacijski brojevi A~e~acijsko stanje E lektronska konfiguracija Talište Vrelište
Alotropske modifikacije fosfora su: I. bijeli fosfor - P , vrlo je reaktivan i polagano oksidira na zraku. Otrovan je, a u kon4 taktu s kožom stvara rane. Na zraku se spontano zapali pri 35 °C, pa se zbog toga čuva pod vodom. 2. crveni fosfor - (P \ - polimerna je lančasta molekula. Nije otrovan, a koristi se za 4 izradu žigica. 3. crni fosfor - složenija polimerna molekula od crvenog fosfora i postojan je samo pri visokom tlaku. Nije olrnvan, a nastaje izgaranjem bijelog fosfora.
Dobivanje bijelog i crvenog fosfora: 2Ca 3 (P0 4 ) + 6Si0 2 + lOC ~ P4 (g) + 6CaSi03 + lOCO 2 bijeli fosfor Gorenjem bijelog fosfora nastaje fosoforov(V) oksid: formule: empirijska -P20 5 ; molekulska-P4 0 p4 (s) + S02(g) -+ P 40!0 (s) P4 0
10
10
fosforna (fosfatna) kiselina je slaba kiselina
+ 6H2 0 -+ 4Hl0 4
Disocijacija fosforne kiseline: H/0 4 +Hp
H2Po4- + H20 HP042 - + H 20 Hl0 4 +3H20
--
H 0 + + H P0 4
2
3
2-
H o + +HPO 3
4 3-
-+
H o++ PO
-+
3H o++ PO
3
3
4
(dihidrogenfosfatni ion) (hidrogenfosfatni ion) (fosfatni ion)
3-
4
Fosforna kiselina se koristi u pripravi osvj ežavajućih pića (npr. Coca-Cola). Najveće količine fosforne kiseline i fosfata (njenih soli) koriste se za proizvodnju umjetnih gnoji-
va. Predstavnik spojeva u kojima je fosfor u oksidacijskon stanju - III je fosfin PHr Fos• fid i su spojevi fosfora s metalima, npr. kalcijev fosfid Cal2" Oksidacijsko stanje fosfora +m je prisutno u halogenidima npr. PF 3, PC13, PBr3 i PT . Oksidacijsko stanje +V je prisutno u halogenidima npr. (PBr5), fosforovu(V) oksidu 3 Pp 10 i fosfornoj kiselini HlO 4 •
Kemija u 24 lekclje
173
17. Dušikova skupina
17. lekcija
3adatci
L
Izračunaj
L
Odredi mnolinsku koncentraciju gustoća 1,38 g/cm 3 na 20 °C.
,.
volumen dušika koji nastaje zagrijavanjem 50 g amonijeva nitrata pri temperaLuri od 250 °C i tlaku od 1 bara. duš i čnc
kiseline masenog udjela 62 % ako joj j e
3-=- Faktor sigurnosti u automobilima su zračni jastuci u kojima je smjesa natrijeva azida, kalijeva nitrata i silicijeva dioksida. Kod sudara dolazi do brzih kemijskih reakcija u kojima se oslobađa velika količina dušika koji ispuni balon. a) Napiši j ednadžbu reakcije koja prikazuje raspad natrijeva azida. b) Prikaži reakciju kojom oslobođeni natrij reagira s kalijevim nitratom tako da nastaje dušik, kalijev oksid i natrijev oksid. c) Zašto je dušik dobar odabir za zračne jastuke? d) Zašto je važno da natrij koji nastaje reakcijom odmah reagira dalje u novi spoj?
4. Napiši struk turne fonnule u tablicu: Molekulska formula
L
Strukturna formula
i\ 1olekulska
formula
Strukturna formula
Natrijev fosfat dodaje se tvrdoj vodi, a služi za "omekšavanje" vode koja se koristi u tehničke svrhe. Viševalentni kationi prisutni u tvrdoj vodi povezuju se s fosfatnim anionima iz natrijeva fosfata pri čemu nastaju vrlo slabo topljivi spojevi koji se istalože. a) Reagira li navedena vodena otopina Nal0 4 kiselo, lužnato ili neutralno? b) Napiši jednadžbu kemijske reakcije kojom ćeš objasniti svoj odgovor na pitanje iz zadatka. c) Napiši jednadžbe kemijskih reakcija kojima ćeš objasniti zašto je otopina h idrogenfosfata lužnata, a otopina dihidrogenfosfata kisela. d) Lewisovim simbolima prikaži strukturu molekule fosforne kiseline.
174
Kemija u 24 lekcije
t
L
.,-:17, lek'Ćija: Zadatci .
Kad epruvetu napunjenu amonijakom začepimo čepom kroz koji je provučena staklena cijev i uronimo u vodu u koju smo dodali fenolftalein nastaje vodoskok. Objasni zašto?
L_ U porculansku zdjelicu je stavljena par kapi koncentrirane HCl zatim stavljeno uz izvor amonijaka. a) Prikaži jednadžbom reakciju koja se dogodila. b) Opiši što se uočava.
!h_ Redukcijom razrijeđene nitratne kiseline s pomoću elementarnog bakra (ili žive) nastaje dušikov(II) oksid. a) Prikaži promjenu jednadžbom. b) Navedi svojstva nastalog pl ina. c) Ako se vrši oksidacija dušikova(TI) oksida s pomoću kisika ili zagrijavanjem olovnog(ll) nitrata, što nastaje? Prikaži jednadžbama. d) Prikaži otapanje u vodi dušikova(IV) oksida i imenuj nastale produkte.
L
Stavljeno je nekoliko kristalića FeS04 n epruvetu te su otopljeni dodatkom destilirane vode. U tu otopinu je uliveno S mi razrijeđene HNO,, pa dodano kap po kap ·' koncentrirane H S04 . 2 a) Zašto su nastala dva sloja? b) Što možemo zaključiti iz pojave smeđeg prstena na granici tih slojeva? c) Prikaži jednadžbom nastalu reakciju.
~
U posudu volumena l L stavljeno je I O mola NO i 6 mola 0 2' Nakon uspostave ravnoteže ustanovljeno je da je nastalo 8,8 mola N0 2 • Odredi Kc.
11. Množinske koncentracije četiriju navedenih vodenih otopina su jednake i iznose O, I mol/L. Koja će od njih najbolje voditi električnu strnju? 12. Koja elektronska konfiguracija odgovara osnovnomu stanj u atoma fosfora? a) [Xe]
b) [Kr]
d) [Ne]
c) [Ar]
13. Za nastajanje sumporovodika vrijedi sljedeća jednadžba kemijske reakcije: H2 (gl + S (s) - H2S (gl !11 H < O. Koja će od navedenih promjena povećati ravnotežnu koncentraciju molekula produkta u reakcijskoj smjesi? a) povećanje tlaka b) smanjenje tlaka d) povišenje temperature c) sniženje temperature
I
I!
14. Zadana je kemijska reakcija: 2 S02 (g> + 0 2 (gl - 2 S03 (g) b,. ,H < O.
I
1
Kako na njezinu kemijsku ravnotežu, prema Le Chatelierovu načelu, utječe porast temperature reakcijskoga sustava?
K,mija , 24
I•
-
- - -- - -
---------=------
-
"'°i' J
- - - - · - - -
-
I 175
I
----------
- ---.-------.--
- -- --- -_
17. Dušikova skupina a) Pomiče ravnotežu prema reaktantima. b) Pomiče ra vnotežu prema produktima. c) Ne utječe na kemijsku ravnotežu. ~
Kolika je brojnost atoma vodika u uzorku amonijaka mase 17 g? a) 6 · 1023
b) 1,2 · 1024
c) 1,8 · 1024
d) 2,4 · 1024
16. Raspad fosforova(V) klorida je endotennni proces. PCl 5 (g) U kojem
će
se smjeru "pomaknuti ravnoteža" toga sustava ako povećaš temperaturu?
a) ne može se predvidjeti
176
Kemiia u 24 lekcije
PCl3 (g) + Cl 2 (gJ
b) ulijevo
c) udesno
18. lekcija
18'. Ugljikova.skupina U gljikovoj skupini pripadaju elementi 14. skupine PSE: C j e nemetal, Si i Ge su polumetali, a Sn i Pb metali. Svi imaju 4 valentna elektrona: [X) ns2 np2 . Zbog velike energije ionizacije pri uklanjanju četiriju elektrona, za elemente 14. skupine je energetski najpovoljnije stvaranje kovalentnih spojeva. Za Ge, Sn i Pb energetski je povoljno i otpuštanje 2 e- (iz np2) pa tako nastaje stabilna inertna nd1° ns2 konfiguracija. Svi elementi 14. skupine grade spojeve s oksidacijskim stanjem - IV, II, IV. Negativni stupanj oksidacije pripisuje se elementima 14. skupine samo u spojevima s vodikom i u karbidima. Hidridi MH4 (-TV): CH4 , SiH 4, GeH4 , SnH4 , PbH 4 . Oksidacijski stupao.i +II, monoksidi MO: CO
Kiseline: H2 C03 (aq) ugljična kiselina i H4Si04 (aq) ortosilicijska kiselina. Tablica 18.1. Svojstva elemenata ugljikove skupine Najčešći
oksidaci_jski broj - IV, +IV +IV
Ge
+IV
Sn
*TV
Pb
+TI
J>orastom atomskog broja ovim se elementima povećava atomski polumjer, a prva energija ionizacije i elektronegativnost im se smanjuju. Tališta i velišta im se snižavaju s porastom atomskog broja dok im se gustoća povećava. Ugljik, C - javlja se u tri alotropske modifikacije:
1. dijamant, (1 karat= 0,205 g, napomena: strukturu, fizikalna i kemijska svojstva pogledati kod atomskih kristala) 2. grafit
3. fu leren. Ugljikov(TI) oksid ili ugljikov monoksid - krvni otrov, CO To je vrlo otrovan plin bez boje, mirisa i okusa, a nastaje nepotpunim izgaranjem ugljika. Jma 200 puta veći afinitet vezanja na hemoglobin od kisika. Ne smije se boraviti u zatvorenim prostorima u kojima je uključen automobilski motor jer CO iz ispušnih plinova može uzrokovati smrt. Atom C i O u CO su vezani trostrukom kovalentnom vezom
:C=O:
178
Kemija u 24 lekcije
Ugljikova skupina Ugljikov monoksid je redukcijsko sredstvo. 2C(s) + 0 2 (g) . _ 2CO(g)
Aff <
O- nepotpuna oksidacij a uglj ika iz fosi lnih goriva
CO je jaki reducens, pa se koristi npr. pri dobivanju željeza:
Fep3 (s)+ 3 CO(gl ._ 2 Fe(I) + 3 C02 (g) Ugljikov(TV) oksid ili ugljikov dioksid, CO, nastaje potpunim izgaranjem ugljika. To je plin bez boj e i mirisa, ne gori i ne podržava gorenje (idealan za gašenje požara). Volumni udio C0 2 u zraku je 0,035 %. Dobivanje C0 2:
1. CaC0 3 ~ CaO + C0 2
-
Ca(HC0 3 )i ~CaC03 +C0 2 +H 2 0
tcm1ičko
razlaganje
- suhi led : co2Ukrutom stanju
2NaHC03 ~ Na 2 C03 + C0 2 + H 20
. CH o 2 . Alkoho Ino vrenJe: 6 12 6
kv-vcgljivict i,
2C H. OH , ' 2CO 2 5
2
3. Djelovanjem jakih kisel ina na karbonate (u K ippovu aparatu): C02 + CaC12 +Hp
CaC03 + 2HC1 -
Dokazivanje C02: uvođenjem u vapnenu vodu (bistra otopina kalcijeva hidroksida) koja se pritom zamuti od istaloženog kalcijava karbonata: Ca(OH)2 (aq) + C02
CaC03 Csl + H 20 (ll CO,_ (g) je teži od zraka i ne p održava gorenje ( Mr (CO?) _ = 44; Mr (zrak) = 29). Ugljikov dioksid je stalni sastojak zraka, ali se tijekom zadnjeg stoljeća povećala njegova koncentrac ija u zraku. Nastala je pojava efektn staklenika koja ima za posljedicu poveć.anje temperature na Zemlji. Sa Sunca na Zemlju dolazi elektromagnetsko zračenje koje apsorbira Zemljina površina, a dio se retlektira u svemir kao toplinsko zračenje. Povećanj e količine C0 dovelo j e do veće apsorpcije toplinskog zračenj a stoga temperatura 2 Zemlje raste, a za posljedicu ima taljenje ledenjaka i podizanje razine mora. C02 je anhidrid slabe C02 + 2H20 -
ugljične
(karbonatne) kiseline:
ttp~ + HC03-
-
HC03- + 8i0 ~ H 30 + + CO/-
hidrogenkarbonatni ion
- karbonat.ni ion
Ova kiselina tvori dvije vrste soli: karbonate i hidrogenkarbonate. Najvažniji su karbonati alkalijskih i zemnoalkalijskih metala. Karbonati prijelaznih elemenata većinom su netopljivi u vodi. Alkalijski karbonati (osim Li) ne raspadaju se zagrijavanjem dok se ostali slabo toplj ivi u vodi raspadaju zagrijavanjem. Najvažniji j e kalcijev karbonat koj j gradi stijene, a ima ga u ljusci jajeta i ljušturama školjaka. U reakciji kalcijeva karbida s vodom dolazi do hidrolize i nastaje etin: CaC2
cs/ H 20
-
Ca(OH)z {s)+ HC=CH
Silicij - Si, u prirodi ga nema e lementarnog već se nalazi u obliku Si02 (kvarc ili kremen) i mnogobrojnih silikata. U Zemljinoj kori ga ima oko 27 %. Tamnosive do crne je boje. Slabo je reaktivan. U čistom stanju ima dijamantnu strukturu.
Kemija u 24 lekcije
179
18. Ugljikova skupina Silicij koji koristimo za poluvodičke sklopove treba biti velike čistoće pa se dodatno proč išćava tzv. zonskim taljenjem. Čisti silicij je poluvodič, a dodatkom elemenata 13. ili 15. skupine njegova se svojstva mijenjaju pa postaje poluvodič p-tipa ili n-tipa. Silikati su soli silicijske kiseline i čine najveći dio stjena na Zemlji. Temeljna jedinica im je silikatni ion. Iz kristalne građe silikata proizlaze njihova svojstva i vanjski oblik. Azbest pripada lančastim silikatima. Kod alumosilikata atom silicija je zamijenjen atomom aluminija. Zeoliti su alumosilikati koji se dugo koriste kao katalizatori u industriji pri proizvodnji benzina, a služe kao ionski izmjenj ivači . Dobivanje silici_ja:
Redukcijom silicijeva dioksida ugljikom pri visokoj temperaturi: Si02 (s) + 2C(s) ~ S i(i) + 2CO(g) Hidrolizom SiC14 (I) nastaje ortosilicijska kiselina: SiCl4 (I) + 4 Hp -. H4Si04 (aq) + 4 H \
aq) +
H4Si04 01tosilicijska kiselina pripada slabim kiselinama .
. 180
Kemija u 24 lekcije
4 Cr (aq)
18. lekcija: Zadatci
~ Nabrojen je niz nuklida 12C, 13C, parova nuklida čine izobami par?
10
B,
11
B, 9 Be, 1°Be,
31
P,
32
P. Koji od nabrojenih d) 10B i
a) 31p i 32p
10
Be
~ Koji kalcijev spoj nastaje djelovanjem kiselih kiša na mramorne spomenike?
a) CaS0
4
b) Ca(N0 3) 2
c) CaCl2
d) CaO
!.__ U kojem se primjeru promjenom tlaka ne može djelovati na kemijsku ravnotežu? a) CH4 (g) + 2 0 2 (g) !::; C0 2 (g) + 2 Hp(g) b) 2 c) 2 Ba02 (s)!::; 2 BaO(sl + 0 2 (g)
+ 2 0 2 Cgl !::; 2 0 3 Cgl d) 4 NH 3 (g) + 5 0 2 (g) !::; 4 NO(gl + 6 ttp(gl O
~ Slika prikazuje aparaturu za dobivanje C0 2 .
a) Prikaži kemijskom jednadžbom reakciju koja se događa u tikvici. b) Što nastaje uvođem plina nastalog tom reakcijom u vodu? c) Prikaži kemijskom jednadžbom događanj e u čaši. d) Ako je za reakciju uzeto 5 g natrijeva karbonata, izračunaj volumen razvijenog plina. ~ Ako se otopini kalcijeva hidrogenkarbonata doda oto-
pina kalcijeva hidroksida, stvara se bijeli talog. Napiši jednadžbu reakcije.
L
Prikaži reakcije u kojima se hidrogenkarbonat-ion ponaša kao: a) kiselina
b) baza.
~ N avedene okside razvrstaj u kisele, bazične i neutralne:
Mu!fflMM@M l 1Dii lMiMffllliffifflt§iii•
Kemija u 24 lekcije
181
,.
~~~-~~...;;;.;~~4-~~~~~......;......;~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~-'-----
L
Na c1tu pored svojstva označenog slovom upiši broj odgovarajuće fonnule. kemijskog spoja. a) krvni otrov b) reaktanl u reakciji fotosinteze c) produkt fotosinteze
2.CO 9 . Na crtu pored Brnosted-Lowryjeve kiseline upiši broj odgovarajuće konjugirane baze:
I-lp NI-I + 4
HC0
3
_
_
_
cot
1. NH3 2. Hp+ 3. OW 4. a) Što su, u smislu Brnosted-Lowryeve teorije kise.lina i baza, molekule metiloranža u kise.lome mediju? b) Kada u destiliranu vodu dodamo natrijev karbonat, on će se otopiti. Što su, u smislu Brnnsted-L owryeve teorije kiselina i baza, u tom slučaju molekule vode? c) Napiši jednadžbu kemijske reakcije kojom ćeš prikazati dobivanje a.monijeve lužine.
10.
lzračunaj utrošenu toplinu za proizvodnju 1 kg kalcijeva karbida koristeći vrijednosti entalpija sa str. 313 .
CaO(sJ + 3C(sl-> CaC2 (sl + CO(gJ
! 1.,_ Lewisovom strukturnom formulom prikaži molel(ulu cijanovodika. Kakva stva pokazivati njegova vodena otopina?
182
Kemija u 24 lekcije
će svoj-
19. lekcija
19. Ugljikovodici
4
Organski spojevi uvijek sadrže četverovalentni ugljik pa se stoga organska kemija naziva i kemijom ugljikovih spojeva. Osim ugljika sadrže još i dušik, kisik, fosfor, sumpor, klor .. . Ugljikovodici su velika skupina spojeva, a molekule im se sastoje samo od ugljika i vodika. Prema načinu povezivanja ugljikovih atoma razlikujemo: a) acikli čke (alifatske), koji mogu biti razgranati i nerazgranati i b) ciklički (prstenasti) ugljikovodici
~
~
ciklički
aciklički
/~
/ ~. / alkeni /~ alkani alkini zasićeni
zasićeni
nezasićeni
I
cikloalkani
/~arem
cikloalkeni
Alkini
Alkeni
Alkani
nezasićeni
u imenu
-an
-en
-in
jednostruka veza
dvostrnka veza
trostruka veza
C11H2n+2 supstitucija
C11H211
CnH 2n-2
adicija
adicija
karakteristična reakcija
IAlkani Raniji naziv parafini potječe od njihova svojstva da slabo reaginrju s drugim elementima i spojevima. Opća fonn ula im je C 11H 2,,+2 gdje n označava broj ugljik.ovih atoma. To su spojevi u kojima su ugljikovi atomi vezani jednostrukom kovalentnom vezom.Sustavno ime nerazgranatog alkana dobije se dodavanjem nastavka -an korijenu koji označava broj ugljikovih atoma u spoju. Homologni niz alkana čine: metan, etan, propan, butan, pentan, heksan, heptan, oktan, nonan i dekan (prvih deset). U organskim spojevima ugljikovi atomi mogu biti vezani jednim, dvama, trima ili ugljikovim atomima pa razlikujemo primami, sekundarni, tercijarni i kvartemi C-atom. četi.rima
-c-t-t1
I
I
- t1 - ćI - tI -
I
I
I
1
I
I
-C- C -C -
-C I
primarni C-atom
sekundarni C-atom
tercijarni C-atom
-t-
-C- t - c I
I
-C-
I
I
kvarterni C-atom
Ugljikovodike (i ostale organske spojeve) možemo prikazivati: strukturnom formulom, sažetom stmktumom fonmllom, molekulskom formulom i fornm lom s veznim crticama.
184
Kemija u 24 lekcije
-
-
~ - - - -- ---
_,...,... Alkan1
Jednostruku vezu C - C opisuje sp3 h ibridizacija pri čemu iz jedne 2s i tri 2p orbitale atoma ugljika miješanjem (hibridizacijom) nastaju podjednake 4sp3 hibridne orbitalc. Prikaz prva četiri alkana:
-
Strukturna formula
Sa7cta strukturna formula
Formula s veznim crticama
H
1081
I
metan
H- y - H
CH4
H
H H I
etan
I
H-y -y- H
C~-CH3
H H H H H I
propan
I
I
H - y-
CH3CH 2 CH3
H H H H H H H I
butan
I
I
I
H - C - C - C-C - H I
I
I
I
CH3C~CH 2CH 3
H H H H Pravilo za određi vanje sustavnog imena razgranatog alkana: a) najprije odabrat i najdulji lanac ugljikovih atoma b) odrediti imena supstituenata· koji su vezani na ugljikov lanac (skupina -CH3 je metil, -CH2CH 3 je etil. ..) c) odrediti položaj supstituenta rednim brojem tako da bude na što manjem broju (znači da možemo označavati i slijeva nadesno i obrnuto)
d) broj istih supstitenata označiti prefiksom: di = dva, tri= tri, tetra = četiri, panta = pet. .. e) supstituente navesti abecednim redom.
CH 3 3
14
b
I
CH3CH CH CH 2 CH 2 CH 3
3,4-dimetilheptan
CH 2CH 3 Konformacija molekule alkana Oko jednostruke C - C veze moguća je slobodna rotacija. Svaki prostorni razmještaj atoma iste molekule koji je posljedica slobodne rotacije oko neke C - C molekule jedna je konformacija te molekule. Konstrukcijski (strukturni) izomer·i alkana su različiti alkani koji imaju istu molekulsku formulu, a razlikuju se prema redoslijedu kovalentno vezanih ugljikovih atoma. • supstituenl - atom ili skupina atoma kojom je zamijenjen vodikov atom u molekuli
Kemija u 24 lekcije
185
19. Ugljikovodici Fizikalna svojstva alkana Prva četiri alkana su plinovi, od CS do Cl6 su tekućine, a s većim brojem C-atoma su krutine. Vrelišta, tališta i gustoće nerazgranatih alkana pokazuju pravilan rast od nižih čl anova homolognog niza prema višima jer raste i.nasa mo.lekule. Alkani s razgranatim lancem imaju niža vrelišta i tališta od nerazgranatih s istim brojem C-atoma. Nepolame molekule alkana se ne povezuju vodikovim vezama. Između njih postoje samo s labe Van der Waalsove me(iumolekulske sile.
Kemijska svojstva alkana Oni teško kemijski reagiraju, a za njih su karakteristične reakcije gorenja i supstitucije (zamjene). Gorenje ili oksidacija:
C„H2,,+2 + (3n+1)/2 CH4 + 2 0 2 ---+ C02 + 2 H 20
C\ -
n C02 + (n+l) Hp
(gorenje metana)
Cll6 + 7/2 0 2 ---+ 2 C02 + 3 H20 (gorenje etana) I ·2 cijelu jednadžbu množimo s 2
2C}\ + 702 ---+ 4C02 + 6Hp Supstitucija (halogeniranje alkana):
Reakcijom supstitucije s halogenim elementima iz alkana nastaju halogenalkani ili alkil-halogenidi. Ako smjesu metana i klora izložimo cljelovanju burne reakcije: •
hv
I
"I
CH4 + Cl2 i!Tt CH,Cl, HCI CH3Cl + CJ 2 ---+ CH 2Cl2 + HCl CH2Cl 2 + Cl 2 -,. CHC13 + HCJ CHCl 3 + Cl 2 - > CCl 4 + HCJ
ultraljubičastog zračenja,
dolazi do
hv = kvant zračenja (1 kvantzajedm1 reakciju)
Jedan od poznatijih halogenoalkana je triklormetan, CHCL, _, poznat i kao kloroform.
Reakcije koje počinju nastajanjem slobodnih radikala koji nastaju i u daijnjim stupnjevima se zovu slobodnorndikalske reakcije. Alkane dobivamo iz dva p1irodna izvora: nafte i zemnog plina. Zemni plin je smjesa plinovitih ugljikovodika, a sastoji se uglavnom od metana, etana i propana. Smatra se dobrim ekološkim gorivom (gorenjem nastaju samo ugljikov dioksid i vodena para). Metan se javija u rndnicima gdje sa zrakom tvori eksplozivnu smjesu koju iskra zapali zbog čega dolazi do eksplozija. Nastaje i trnljenjem organskih ostataka bez pristupa zraka na dnu močvara pa se naziva močvarn i plin. Meta.nje glavni sastojak bioplina (55 %) koji se dobiva od orga.nskog otpada. Koristi se kao gorivo u stanovima, za pripremu vodenog plina (CO + H 2) i za dobivanje čade koja je potrebna za proizvodnju automobilskih guma. Ukapljena smjesa propana i butana dolazi u trgovine u čeličnim bocama pod visokim tlakom , a koristi se kao gorivo u domaćinstvu. Freoni su različiti fluorovi i klorovi derivati metana i etana, netopljivi su u vodi i inertni pa odlaze u atmosfem do ozonskog sloja gdje ga razaraju. stvarajući "ozonske rupe" . Niz kloriranih ugljikovodika koriste se kao insekticidi.
186
Kemija u 24 lekcije
Alkeni
IAlkeni To su nezasićeni ugljikovodici koji u molekuli imaju jednu ili više dvostrukih veza C-atoma. Opća lormula irn je C 1H, . U imenu imaju nastavak - en. Redni broj u imenu označava položaj dvostruke veze'. D~~struku vezu opisujemo sp2 hibridizacijo1~1. između
-
Sažeta struktui·na Formula s for1n~1l~~-·~' · · veznim crticama
Strukturna fomwla
H--..
c ten
fY
,,H
C= C
' II
H I
H--..
C=C - C- II
propcn
IDII
H"
CH 2 = CH-CI\
I
TI
H H H H--.. I I I but- 1- en C=C - C- C-H P" .~
HI
CH2 =CH- CH2 CH3
H1
H H H H I
I
I
I
H - C- C= C- C-H I I H H Cis-lzomerija I trans-izomerija alkena Oko dvostruke veze nema slobodne rotacije kao kod jednostruke. Zbog toga oko dvostruke veze atomi ili atomske skupine mogu biti na istoj strani veze (cis-izomeri) ili na suprotnim stranama (trans-izomeri). Takvi izomeri koji imaju isti redosljed kovalentno vezanih atoma, a različit prostorni raspored, na:.Givaju se stcreoizomeri. Cis-izomeri I trans-izomeri imaju različita fizikalna svojstva. Trans-izomeri najčešće su stabilniji od cis-izomcra. trans- heks-3- en
CI-LCI-12
'C= CH 'CH 3CTI2 H
.,
/
/
cis- heks-3-cn
CHFtI2 /CH2CH3 C=C
H/
'H
Dobivanje alkena Dobivaju se eliminacijskim reakcijama iz alkohola ili halogcnalkana. Nastali bezbojni plin eten dobiven eliminacijom vode iz etanola (uz H 2 S04 kao dehidratacijsko sredstvo) će obezbojiti bromnu vodu i otopinu KM n0 4 .
t~1 TfJ
br()mna KMnO,,(aq)
voda cten Kem,Ja u 24 lekcije
187
19. Ugljikovodici Fizikalna svojstva alkena Prva tri člana su plinovi. Vrelišta im rastu s porastom broja C-atoma (Mr). Kemijska svojstva alkena To su vrlo reaktivni spojevi. Karakteristična je za njih reakcija adicije (pripajanja). Adicijske reakcije: a) adicija vodika (hidrogeniranje) H,
H.,,
/
H H
.,,H
C=C
.
I
I
I
I
+ H ~ H-C - C- H
'H
2
C2H4 + I-12 ---->C 2H6
ili
alken
H H
eten
alkan
etan
b) adicija halogenog elementa H,
.,,H
C= C
H.,,
'H
H H I
I
I
I
+ Br2 - + H - C-C- H
C2H4 + Br2 ---->C2H4Br2
ili
Br Br
+ x2
alken
-+
dihalogenalkan
c) adicija halogenovodika (Pazi: Markovnikovljevo pravilo: vodik se veže na ugljikov atom koji na sebi ima više vezanih vodikovih atoma) H,
H H I
H H H
I
I
I
I
C = C - C - H + HBr - + H - C - C - C- H 2-brompropan I-I„ 1. I I I H H Br H d) adicija vode (nastaju alkoholi) CH 3CH = CH2 + H 20 H,s o,
CH3CHCH3 I
OH
propan- 2-ol propen e) oksidacijom alkena nastaju dioli (u lužnatoj sredini)
t) polimerizacija - povezuju se međusobno uz katalizator gradeći velike polimere (polietilen-PE, polipropen-PP, .. .)
alken + H2 ----> alkan alken + X2 ----> dihalogenalkan alken + HX ----> halogenalkan alken + H2O ----> alkohol alken + KMn0 4
Off
n alken ~ polimer J).,p
188
Kemija u 24 lekcije
~ alkandiol
Alkini
r
To su
nezasićeni
ugljikovodici koji u molekuli imaju jednu ili više trostrukih veza im je CnH2n-2. U imenu imaju nastavak -in. Redni broj u imenu označava položaj trostruke veze. Trostruku vezu opisujemo sp-hibridizacijom: iz jedne 2s orbitale ijedne 2p orbitale nastaju dvije sp-hibridne orbitale koje tvore cr-veze, dok iz preostale dvije nehibridizirane 2p orbitale nastaju 2n-veze. između C-atoma. Opća fonnula
Broj hibridnih Broj nehibridnih orbi tala orbitala
o
4
3
2
2
li etin
propin
Strukuturna foi·mula
Sažeta strukturna formula
HC =-CH
H- C=C-H H I
pent-2-in
-·
HC = C -CH3
H- C=C-C-H I H
but-1-in
•
Veze izmeclu C-atoma I
H H I I H- C=C-C-C-H I I H H
H H H I I I H-C- C= C- C- C- H I
H
I
I
CH3 -C=if-CH C .. 3 z-
H H
Fizikalna svojstva Prva tri čl ana (etin, propin i butio) su plinovi, netopljivi u vodi ali topljivi u organskim otapalima. Tališta, vrelišta i gustoće su im viši nego kod alkena i alkana s jednakim brojem C-atoma.
Kemijska svojstva Reagiraju vrlo slično alkenima, tj. i za njih su karakteristične adicijske reakcije. Oni mogu vezati dvije molekule nekog reagensa jer najprije puca trostmka veza u dvostruku pa tek onda dvostruka u jednostruku.
CH - C= CH + HBr-
CH.3 - C=CH, I ~
2- brompropen
Br Kemija u 24 lekcije
189
19. Ugljikovodici
Br I
Cll 3 - C = CH + HBr-> CH - C - CH . I 2 3 I 3
Br
2,2- dibrompropan
Br
Etin se prodaje u čeličnim bocama, ot6J)ljen u acetonu. Koristi se za aulogeno zavarivanje jer kad izgara u kisiku posliže temperature više od 2000 °C. Sirovina je u kemijskoj industriji za dobivanje PVC-a. Nezasićene spojeve (alkene i alkinc) možemo dokazivati bromnom vodom koja se obezboji zbog adicijske reakcije.
Za dokazivanje alkina (koji ma je = veza iza prvog C-atoma) koristi se Tollensov reagens pri čemu nastaju acclilidi. Ovom se reakcijom alkini razlikuju od alkena. HC = CH+ 2[Ag(NH) 2]0H-> Ag[:C = C:)Ag + 2Hp +4 NH3 srebrov acetilid
ICiklič ki ugljikovodici Cikloalkani - CnH2n To je skupina zasićen.ih uglj ikovodika u kojoj su ugljikovi atomi povezani u prsten. Najjednostavniji je ciklopropan (3C), slijedi ciklobutan, ciklopentan ... C ikloalkani su slabo reaktivni ali ciklopropan i ciklobutan su jako reaktivni jer im veze između C-atoma zbog kutne napetosti lako pucaju, dok su ciklopentan i cikloheksan stabilni i najčešći su cikloalkani u prirodi zbog stabilnosti.
.\ 'aziv ciklopropan
Sažeta strukturna
s~
60°
H1C -CH2 ciklobulan
90°
llf-SH2 H2C - CH2 /
ciklopentan
108°
CH,
-, CH2
H?C
-'
/
~C-CH2 /
cikloheksan
109°
H?C I H2 C,
CH,
-, CH2 I
/ CH2
CH2
Formula s veznim crticama
6 D
o o
Kod C3 i C4 karakteristične su reakcije adicije, a s većim brojem C - supstitucija. Konfonnacije koje zauzima npr. cikloheksan su: sedlasta (stolac) i kolijcvkasta (ča mac).
190
Kemija u 24 lekcije
Ciklički
ugljikovodici
Areni (aromatski ugljikovodici)
o o
To su nezas ićeni , cikličk i ugljikovodici kod kojih su C-atomi povezani u jedan ili više prstenova. Takve prstenove karakterizira posebna stabilnost koja se naziva aromatičnost. Ona je posljedica delokalizacije n-elektrona u prstenu aromatskog spoja. Benzen je najjednostavniji predstavnik. Molekulska formula mu je C6II 6. Duljine svih veza su iste, a kut i zmeđu C-atorna je 120°. Njegovu strukturu predložio je Friedrich August Kekule von Stradonitz kao prsten s trima dvostrukim vezama koje se premještaju.
A
~
...
~
Benzen i njegovi derivati su značaj ne sirovine u kemijskoj industiiji. Dobivaju se iz nafte. Koriste se u proizvodnji stircna, feno la ... Od stirena se dobiva polistiren (za izradu npr. kutija za CD ili plastične čaše) i stiropor.
Fizikalna svojstva Aromatski ugljikovodici su slabo topljivi u vodi, a gustoća im je manja od vode. Vrelišta im rastu s porastom /Vir, a tal išta im ovise o simetrij i. Spojevi s više benzenskih prst.enova (dioksin) su često otrovni i kancerogeni.
Kemijska svojstva Iako ovi spojevi imaju dvostmke veze, ne pokazuju reakcije adicije (neće obezbojiti bromnu vodu) već im j e karakteri stična reakcija supstituci,le. Supstitucijske reakcije benzena: Br
a)h,logcnirauje
O+B , ~O 2
8 '' '
+ HB,
brom benzen
O
NO,
b) nitriranje
11,SO,
i,,
-
nitrobenzen
c) sulfooiranje benzensulfonska kiselina
d) alkiliraoje
ACH3 V
+ HCI
etilbenzen
Kemija u 24 Jel
191
19. Ugljikovodici Reakcije arena: -
adicija (samo uz visoki tlak i temperahrru): I) benzen + 3 8i ~ cikloheksan 2) benzen + 3 Cl2 ~ heksaklorcikloheksan
-
supstitucija: FeX
I) benzen + X 2 ~ halogenbenzen 2) benzen + RX ~ alkilbeozen 3) benzen + I-INO,., ~
nitrobenzen
4) benzen+ S0 H,so, benzensulfonska kiselina 3
Nomenklatura arena Spojevi koji na benzenski prsten imaju vezane supstituente nazivaju se derivati benzena. Položaj supstituenata označava se abecednim redom i numerira rednim brojevima,
ali tako da brojevi budu što manji (isto i u nomenklaturi cikloalkana). Kada je na nekom spoju supstituent benzenski prsten, onda je on naziva fenil (- C6H/ Brojni aromatski spojevi imaju uz sustavna i uvriježena trivijalna imena, npr. metil-benzen je poznat kao toluen.
192
Kemija u 24 lekcije
19. lekcija: Zadatci
L_ Benzen reagira supstitucijskim reakcijama iako je nezasićeni spoj. Adicijske reakcije nisu karakteristične za njega, pa su moguće samo uz povišeni tlak i temperaturu. a) Napiši u pravokutnike pripadajuće reakcije za benzen. b) Mnogi aromatski spojev i imaju u strukturi više benzenskih prstenova. Prikaži I. naftalen, 2. antracen, 3. dioksin c) Tz čega proizlazi stabilnost benzenskog prstena? ~
Tmenuj
sljedeće
spojeve:
b)
a)
~X e)
~
L
Analizom je utvrđeno da jedan organski spoj sadrži 23,8 % ugljika, 5,9 % vodika a ostatak je klor. Odredite empirijsku fonnulu tog spoja.
L
Napiši jednadžbu ovih reakcija: a) 2-metil-pent-l-en + HBr b) pent-2-en + KMn0 4 (u lužnatom).
L
Na kalcijev karbid, koji se nalazi u suhoj epruveti, dodaje se kap po kap vode. Navedi zapažanja. a) Plin koji se razvija uvodi se u bromnu vodu i otopinu kalijeva perroanganata. b) Uvodi se i u praznu epruvetu okrenutu otvorom prema dolje, zatvara se palcem i uranja u aceton. c) Taj plin se zatim uvodi u Tollensov reagens do pojave bijelog taloga.
L
Koliko se litara etina može dobiti iz 50 g vapnenca?
L
lzgara 50 dm3 etina.
bromna KMnO.,(aq) voda ToUensov reagens [Ag(NH3) 2] 0 H
a) Tzračunaj masu kisika potrebnu za izgaranje. b) Izračunaj volumen zraka potreban za izgaranje ako je volumni udio kisika u zraku 21 %. Kemija u 24 lekcije
193
----~ -
-
--
-
c) Tzračunaj maseni udio uglj ika u etinu. d) Prikaži reakciju nastajru1ja srebrova acetilida.
L
Napiši formule sljedeć ih spojeva:
a) izopropil benzen
L
b) l-etil-2,4dinitro benzen
c) toluen
d) bifenil
Etin može adirati klor. Koliki se volumen klora može adirati na 300 g etina uz iskorištenje od 92 %?
10~ Prikaži eliminacijsku reakciju alkena, 1-klorpropan + NaOH.
1h Navedi
imena sljedećih spojeva: 6
a)
s/
b)
I
6
~
f) 6
c)
12. Anilin (fenilamin) je jedan od derivata benzena, a može se dobiti katalitičkim hidrogeni.ranjem nitrobenzcna. Napišite odgovarajuću jednadžbu te reakcije.
13. Napiši jednadžbu kemijske reakcije anilina i vode. 14. Vodena otopina anilina koja nastaje u 13. zadatku ima množinsku koncentraciju 0,15 mol dm-3 i pH-vrijednost 8,89. a) Izračunajte ravnotežne rnnožinske koncentracije jedinki u toj otopini anilina. b) Izračunajte koncentracijsku konstant11 baze, Kb, anilina.
15. Organski spojevi A, B i C su produkti triju različitih kemijskih reakcija. Spoj A je i polazna tvar reakcija u kojima nastaju produkti B i C. Proučite prikazanu reakcijsku shemu te popunite sljedeću tablicu. HBr
CH2 = CH - CI-13 -
194
Kemija u 24 lekcije
Sažeta strukturna fomrnla spoja
Kellllj~ki.!1a_ziv navedenog spoja
20.
lekcija
-
--
- -
20: Alkoholi, fenoli, eteri Uz ugljik i vodik u organskim spojevima je najzastupljeniji element i kisik koji je u sastavu funkcionalnih skupina pa određuje vrstu i svojstva skupina organskih spojeva. Primjeri takvih spojeva su: alkoholi, fenoli, eteri, aldehidi, ketoni, karboksilne kiseline i nj ihovi derivati, šećeri, aminokiseline ... Alkohole, fenole i etere promatramo kao derivate vode u kojoj su jedan ili oba atoma vodika zamijenjeni alkilnom ili arilnom skupinom, a atom kisika je neposredno vezan na atom ugljika.
IAlkoholi Alkoholi su organski spojevi koji sadrže jednu ili više -OH skupina (hidroksilna skupina), pa mogu biti jednovalentni (jedna skupina), dvovalentni, trovalentni itd. Opća im je formula ROH. Prvi član alkohola je metanol, slijede etanol, propanol, butanol. S obzirom na broj C-atoma na koje je vezan ugljik.ov atom na koji je vezana - OH skupina razlikujem o primarne (- OH skupina je vezana na C-atom koji je neposredno vezan samo na jedan C-atom), sekundarne (- OH skupina je vezana na C-atom vezan na još dva C-atoma) i tercijarne alkohole (-OH skupina je vezana na C-atom koji je vezan na tri C-atoma). H
R'
I
R'
I
R-C - OH
I
R-C-OH I H sekundarni alkohol
I
H primarni alkohol
R - C - OH I
R" tercijarni alkohol
Nomenklatura Naziv nastaje dodavanjem nastavka -ol nazivu alkana ili cikloalkana s istim brojem C-atoma. Broj -OH skupina označava se prefiksom: diol = 2, trio)= 3. Položaj - OH skupine označava se brojem ispred nastavka -ol u nazivu alkohola. 3
2
CH 3
J
I .
CI\Cl-I20H
CH3 CH2CHpH
CH 3yHCH 3 OH
CH 3CHCHz°H
etanol
propan- I -o!
propan-2-ol
2-metilpropan-l-ol (izobutil-alkohol)
OH
o I
5
4
3
2
I
CH3CHFH = CH CHzDH pent-2-en- l-ol
196
Kemija u 24 lekcije
cik lopentano l
I
2
3
CH2 - CH2 I
CH2 - CH - CH2
OH
OH
OH
I
1,2-etandiol (etan-glikol)
I
I
I
OH OH
1,2,3-propantriol (glicerol)
Alkoholi
Fizikalna svojstva Alkoholi s manjim brojem C-atoma su slični vodi i imaju slična svojstva. Vrelišta alkohola su viša od vrelišta etera i alkana slične relativne mase, a niža od vode zbog postojanja vodikovih veza između polarnih - OH skupina, a u stvaranju vodikove veze sudjeluje samo vodik iz hidroksilne skupine, a ne i ostali vodici iz ugljikovodičnog dijela. Molekule alkohola međusobno se povezuju dvijema vodikovim vezama, a molekule vode s četverima vezama. Alkoholi s istim brojem C-atoma, ali s razgranatim lancem imaju niža vrelišta. Hidroksilna skupina je polarna i hidrofilna, a alkilna skupina je nepolarna i hidrofobna pa se topljivost alkohola u vodi smanjuje s povećanjem ugljikovodičnog lanca. Prva tri alkohola se miješaju s vodom u svim omjerima, a oni koji slijede sve se manje otapaju u vodi tako da su alkoholi s 11 C-atoma i više, krutine koje nisu topljive u vodi.
Kemijska svojstva Alkoholi reagiraju s: a) alkalijskim metalima (Na, K), Mg, Al zbog polarnih 0-H veza koje alkoholima daju svojstva slabih kiseli.na od kojih se odcjepljuje vodik (najlakše kod primarnih alkohola). Tim reakcijama nastaju alkoksidi (RO~) . 2ROH + 2Na -> 2R0Na + H 2 2CHpH + 2Na-> 2CHpNa + H 2 metanol natrijev metoksid b) primarni alkoholi reagiraju s bromovodičnom kiselinom (nastaju alkil-halogenidi), istodobno se odcjepljuje voda i veže bromidni ion: CH CHz°H + HBr-> CH3CH2 Br + H20 3
c) sekundarni i tercijarni alkoholi reagiraju s HCI i HBr (stupnjevita reakcija u kojoj se najprije proton jake kiseline veže na hidroksilnu skupinu te se onda ona odvaja kao molekula vode dok se na nastali ugljikov kation veže anion halogenovodične kiseline): CH__,__ I _;. -..-. CK - C - OH + H - CL-> CI\ - C + c1- + H 2 0 CH,
I ·'
>
I
CH3
-
\
\
CH3
J
v~-"---~
CK I , CI-L-C - Cl , I CH3 2-klor-2-metilpropan d) s jakim oksidacijskim sredstvima (kalijev dikromat KFr207' kromov(Vl) oksid Cr03, kalijev pem1anganat KMnO 4) dajući aldehide i ketone. Dobivanje alkohola: a) supstitucijom u reakciji alkil-halogenida s nukleofilom (alkalijski hidroksid) OW +R- X-R- OH+xKemija u 24 lekcije
197
NaOH + CH 3Cl-> CH30H + NaCl
b) hidratacijom alkena (adicija vode na alkene) CI-12 = CI-12 + H20 -> CHPH20H eten etanol
c) reakcijom alk.cna s kalijevim permanganatom u bazičnoj sredini (nastaju dioli) CH 3 CH2 CH2 CH = CH 2 + Kiv1n0 4
~~; CH3 CH2 CH2 CH CH2 + Mn02 + KOH I I OHOH pentan-1 ,2-diol
d) hidrolizom halogenalkana CH3CH CH 3 +~O -> CH3CH CT\ + HBr
I
I
Br 2-brornpropan
OH propan-2-ol
Metanol je bezbojna, hlapljiva tekućina koja se miješa s vodom u svim omjerima. Vrlo je otrovan. Trovanje metanolom uzrokuje sljepoću, a ako se popije 30 mi može uzrokovati i s1mt. Koristi se kao pogonsko gorivo, u proizvodnji p lastičnih masa, kao otapalo. Dobivanje: 1. suhom destilacijom drveta
2. sintezom iz ugljikova monoksida i vodika pod visokim tlakom i temperaturom uz katalizator (industrijski način): CO + 2H2-> CH:,OH
Etanol je alkohol koji je sastojak svih alkoholnih pića. Dva su načina na koja se proizvodi: 1. Alkoholnim vrenjem (fem1entacijom). To je najstariji način proizvodnje. Glukoza se pod djelovanjem enzima kvaščevih gljivica pretvara li etanol i oslobađa se ugljikov
dioksid. Nastali C0 2 možemo dokazati uvodenjem li vapnenu vodu koja će se zamutiti od istaloženog kalcijeva karbonata.
C''6 H 12O6
kva.š čevegljivi«
?C H OH _.. 2CO -
·r s
·
2
Fermentacija se prekida kada je volumni udio alkohola 16 % (veća koncentracija ubija kvaščeve gljivice) pa se pića s većim volumnim udjelom alkohola dobivaju destilacijom. 2. Adicijorn vode na eten pri povišenoj temperat11ri i uz katalizator (fosfatna kiselina).
Dobije se vodena otopina etanola iz koje se onda destilacijom dobiva etanol. U njemu je 4 % vode koja se uklanja sredstvima koja vežu vodu (npr. CaO) pa se dobije bezvodni etanol tzv "apsolutni alkohol". U medicini se koristi 40 %-tni etanol za dezinfekciju jer sp1:j ečava razvoj mikroorganizama.
Etan-1,2-diol ili glikol je tekućina koja se koristi kao antifriz i kao otapalo. Propan] ,2,3-triol ili glicerol se koristi u kozmetici i za dobivanje eksploziva nitroglicerina.
198
Kemija u 24 lekcije
Fenoli
IFenoli To su spojevi u kojimajejedna ili više hidroksilnih skupina vezana za aromatski prsten te irnje opća formu la Ar- OH. Najjednostavniji predstavnik imje C6HpH ili hidroksibenzen (fono!). U imenu imaju naziv fenol. Supstituente označavamo brojem ovisno o položaju gdje se nalaze.
Nomenklatura OH
6 fenol
OH
Bro Br 6
OH
2
s
3 .j
2,6-dibrom!enol
2-fenilfenol
0-krezol
Svojstva fenola Fenol je bezbojna, higroskopna kristalna tvar, oštra mirisa. Topljivijije u vrućoj nego u hladnoj vodi, a vodena otopina mu je kisela. Oštećuje kožu i druga tkiva jer u dodiru izaziva koagulaciju bjelančevina. Fenol je slaba kiselina, ali jača od alkohola pa reagira i s metalima (Na) i s luži nama (NaOH) dajući fenokside. fenoli imaju visoke točke tališta i vrelišta jer su im molekule povezane vodikovim vezama pa treba uložiti dodatnu energijn na njihovo trganje.
Reakcije fenola:
1. Fenol + alkalijski metal (Na, K)-+ fenoksid 2Ar-OH + 2Na -> 2Ar-0Na + H 2 fenol natTijev fenoksid C 6H 5 0H + N aOH-+ C 6H 50Na + H 2 0 natrijev fenoksid 2. Elektrofilna supstih1cija (fenol + brom), ovom reakcijom dokazujemo fenole u otpadnim vodama. Hidroksiloa skupina utječe na svojstva benzenske jezgre pa se ove reakcije odvijaju brže nego na benzenu.
6 +3Br-B,:0:B, +3HB, Br 2,4,6-tribromfenol
Fenoli se koriste kao antioksiclansi u nam.irnLcama, a i u pripravcima kapi za oči i nos. Vodena otopina fenola koristi se kao dezinfekcijska sredstvo. Veće količine onečišćuju vodu za piće . Nalazimo ih u ispušnim plinovima, duhanskom di.nm, dimu marihuane. Kernlja u 24 lekcije
199
20..Alkoholi, fenoli, eted
~
To su organski spojevi u kojima je kisik vezan izmeđ u dvije alkilne skupine. Opća formula im je R- 0 - R" gdje R=R" (jednostavni ili simetrični eteri) i R:;t:R" (mješoviti, as imetričn i eteri).
Nomenklatura Eteri se mogu imenovati na dva
načina:
1) Ime etera tvori se navođenjem imena alkilnih ili arilnih skupina abecednim redom ispred riječi eter.
2) Eter se imenuje kao ugljikovodik kod kojeg je alkoksidna skupina supstituent, a osnova imena je najdulji alki Ini lanac ili ari!. CH3- 0 - CH3 dimetil-eter
etil-metil-eter
CH3CH2-0D I____,,) ~ etil-fenil-eter
Svojstva etera Eter je bezbojna tekućina karakteristična mirisa. Vrelište dietil-etera (35 °C) niže je od vrelišta vode i etanola (78 °C) . Među molekulama etera nema vodikovih veza pa su im vrelišta znatno niža od vrelišta alkohola slične relativne mase. Eteri se ne miješaju s vodom, stajanjem se odvajaju dva sloja. Dobra su otapala za nepolarne tvari kao npr. jod. Kemijski su slabo reaktivni. Ne reagiraju s natl'ijem (poput alkohola i fenola) ni s NaOH. Koriste se kao otapala, za masti, ulja, voskove, gumu ... Pare dietil-etera su teže od zraka i zapaljive su. Njihova smjesa sa zrakom je eksplozivna. Prije se eter koristio kao sredstvo za anesteziju ali je zbog nuspojava zamijenjen prikladnijim anesteticima. Eteri se mogu protonirati jakjm kiselinama: ROR + HBr --+- ROH + RBr CH3CH2- 0-CH2CH3 + HBr--+- CH3CHpH + CH3CH2Br dietil-eter etanol etil bromid
Dobivanje etera: 1. Jednostavni ili simetrični - zagrijavanjem alkohola u prisutnosti kiselina ROH + ROH --+-ROR + H2 0 2CH3CHpH--+- CH3CHpCH2 CH3 + Hz° etanol dietil-eter 2. Mješoviti eteri - reakcijom halogenalkana s alkoksidom RX + R " ONa- ROR" + NaX CH3CH21 + CHpNa - CHFH20CH3 + Nar etil-jodid natrijev etil-metil-eter metoksid
200
Kemija u 24 lekcije
L
Metanol je vrlo otrovan alkohol. a) Prikaži nastajanje vodikovih veza i zmeđu dvaju molekula metanola. b) Je li veći maseni udio vodika u metanolu ili u dimetil-eteru?
2...:_ Prikaži opće sheme oksidacije primamih i sekundarnih alkohola. lmenuj nastale produkte.
L
U epruveti je u 5 mi vode otopljeno nekoliko kristal ića joda. Otopini je dodan jednak volumen dietil-etera i ponovno je otopina promućkana.
a) Miješa li se eter s vodom? b) Što se u toj otopini događa s jodom? c) Kojom fizikalnom metodom možemo odvojiti jod iz te otopine?
L
Strukturna formu la prikazuje molekulu vitamina A. Ona u lančastom dijelu ima naizmj enične, tj. konjugirane dvostruke veze. Napiši molekulsku fonnulu ovog vitamina.
OI-1
~
Butan-2-ol je alkohol s četi ri ugljikova atoma.
a) Napiši molekulsku formulu navedenog alkohola. b) Nacrta.i stmktumu formu.lu tog sekundaruog alkohola c) Nacrtaj sve njegove strukturne izomere koristeći formulu s veznim crticama.
L
Prikaži veznim crticama formulu 2-metil-propan-2-ol. Hoće li reagirati s kal~jevim dikromatom koji je jako oksidacijsko sredstvo?
?..:_ Dopuni tražene podatke u shemi: a)
ArX
b) RONa
Na l-'---1
Hp
RX
NaOH NaOH ArONa--____.
L
Koja je tvrdnja o fenolima točna? a) Fenoli su tipičn i alkoholi. b) Jedna ili više -OH skupina vezane su na beoz enski prsten.
Kemija u 24 lekcije
201
20. Alkoholi, fenoli, eteri c) Svi su netopljivi u vodi. d) Postoje tri naftola (u-nafto!, ~-nafto! i y-naftol).
L U reakciji etanola i natrija se os l obađa vodik. Odredi volumen
oslobođenog vodika
ako je potpuno reagiralo 10 g natrija s alkoholom.
1O. Kolika je množinska koncentracija etanola u otopini ako je maseni udio etanola 35 % a gustoća otopine 0,97 g cm- 3?
11=. Prikaži disocijaciju fenola. lmenuj nastalu konjugiranu bazu. 12. Alkoholi i fenoli se ponašaju kao kiseline. a) Prikaži reakciju kojom ćeš dokazati da je fenol j ača kiselina od alkohola. Obrazloži. b) Prikaži dobi vanje fenola iz natiijeva fenoksi da. c) Objasni reakciju pod b).
13. Dopuni sljedeće jednadžbe reakcija. a) CH3 -0 - CH3 +Na""'
b) CH3CH2 - O - CH2C.H3 + NaOH""' c) CH3 CHz - O - CH3 + Hl ""' d) Objasni mehanizam nadopunjenih reakcija.
14. Navedi nazive slj edećih spojeva:
•) o5 15. Niži alkoholi su zapaljive tekućine. Etanol gori narančastim plamenom, a metanol plavičastim.
a) Prikaži reakciju gorenja etanola. b) Prikaži reakciju gorenja metanola. c) Kako će se dokazati nastali ugljikov dioksid?
16. U tikvicuje stavljena vodena otopina glukoze uz dodatak kvaščevih glj ivica, a na vrh tik.-vice je zavezana prozirna p l astična
vrećica.
a) Koji se sastojak početne otopine mijenja tijekom promjene koja je uslijedila? b) Napiši jednadžbu rekacijc. c) Koja je uloga kvaščevih glj ivica? d) Kako se naziva ta rekacija?
202
Kemija u 24 lekcije
·
20, lekćija;
Zadatci
17. Ako se za fermentaciju utrošilo 500 g glukoze, odredi volumen nastalog ugljikova dioksida. Kolika je masa grožđa potrebna za tu reakciju ako je w(glukoza) = 0,09 u grožđu.
18. 2-metil-butan-2-olje: a) primami alkohol
b) sekundarni alkohol
c) tercijarni alkohol
d) aromatski alkohol
netočnu tvrdnju: a) Fenoli su jače kiseline od alkohola. b) Fenoksidi su topljivi u vodi jer reagiraju kao soli. c) Eteri reagiraju samo s jakim kiselinama i ponašaju se kao slabe organske Lewisove baze. d) Za fenole je karakteristična reakcija adicije na dvostruke veze u benzenskom prstenu.
19. Zaokruži
20. U nekom je alkoholu maseni udio ugljika 60 %, vodika 13 ,33 % a kisika je 26,67 %. Relativna molekulska masa mu je 60. Odredi molekulsku formulu tog alkohola.
Kemija u 24 lekcije
203
21.
lekcija
;
21. Aldehidi i ketoni Aldehidi i ketoni su spojevi koji imaju funkcionalnu karbonilnu skupinu u koj~j su ugljik i kisik povezani dvostrukom vezom C =O, odnosno jednom cr- i jednom 1t- vezom. Aldehidi imaju opću formulu R-CHO, a ketoni R-CO- R. Sve tri veze karbonilne skupine leže u ravnini i zatvaraju kut od 120°.
oli
oli
oli ,,.c,
,,.c ,
,,.c, R
karbonilna skupina
R R' keton
H
aldehid
Karbonilnu skupinu, tipičnu za aldehide i ketone možemo dokazati reagensom 2,4-dinitrofenilhidrazinom.
Nomenklatura Aldehidi dobivaju ime tako da se imenu osnovnog ugljikovodika doda nastava} - al, a kod ketona - on, a položaj karbonilne skupine označimo brojem prije nastavka. Primjer.
oli
oli
,,.c ,
,...c,
RC H ' etanal (acetaldehid)
H3 C CI-13 propanon (aceton)
o //
o //
CH -C
H-C
3
\
\
H
H
metanal
etanal
9
oli
CH.CCR '
'
dimetil-keton (aceton, propanon)
o
ciklopentanon
H, .,,O C
6 benzaldehid (fenilmetanal)
oli CH3CC8zCH3
o
//
c5=CH-\ 3-fenilpropenal
oli CH3 CH2 C yH CH3 CR '
butan-2-on (etil-metil-keton)
2-metil-pentan-3-on
Fizikalna svojstva Metanal (formaldehid) j e plin bockava mi1isa koji nadražuje sluznicu, dobro je topljiv u vodi (40 %-tna otopina se naziva formalin). Budući da fom1alin reagira s proteinima i izaziva njihovo očvršćivanje koristi se kao tekućina za balzamiranje i za zaštitu bioloških preparata. Formaldehid se koristi i za proizvodnju umjetnih gnojiva, umjetne svile i plastičnih masa... Etana I je tekućina oštrog mirisa, lako zapaljiva i hlapljiva, a dobro je topljiva u vodi. Propanon (aceton) je tekućina karakteristična mirisa, lako je hlapljiva i zapalj iv i dobro topljiva u vodi. Koristi se kao otapalo za masti, gume, lakove (npr. za
206
Kemija u 24 lekcije
--
- - -
------
--
--
nokte). Aceton se nom1alno nalazi u krvi, a neliječena šećerna bolest dovodi do porasta koncentracije acetona u krvi pa neliječeni dijabetičari imaju karakterističan slatkast miris u dahu i urinu. Aldehidi i ketoni imaju niža vrelišta od alkohola odgovarajuće relativne mase, kod njih se molekule ne povezuju vodikovim vezama . Kako je karbonilna skupina polarna zbog razlike u elektronegativnosti kisika i ugljika, njezini pripadnici mogu stvarati vodikove veze s molekulama vode pa su zato dobro topljivi u vodi. Dobivanje aldehida a) oksidacijom primarnih alkohola (s Cr03 ili K2Crp7)
H
o
O
I
R - C - OH I
(OJ
ft:so: '
•
prim~rni alkohol
li
R - C, H
//
[OJ
itšo. R- C\ ,s '
aldehid
OH karboksi Ina kiselina
alkohol -+ aldehid-,. karboksilna kiselina b) hidratacijom terminalnih alkina (adicija vode)
<;>H tautomerizacija
H SO
//O
CH= CH + Hp 8 'gs~.• CH2= CH~=====~ CKJ -C\ etin
etenol
Dobivanje ketona: a) oksidacijom sekundarnih alkohola OH
R-~ - R I
~
H,So,
o R-l-R
H sekundarni alkohol
CH3C = CCH3 + H 20 but-2-in
H~so,
~
nemareakcije
keton
b) adicijom vode na alkine (hidratacija alkina) OH H,SO,
etanal H
I
CH3 CH=
tautomerizacija CH CH3 - - - ~
O li
CH3 C - CH2 -CH; butan-2-on
Sekundarni alkohol -,. keton -,. Keto-enolna tautomerizacija predstavlja ravnotežu dvaju izomera (tautomera) čije se strukture razlikuju samo položajem jednog atoma vodika i dvostruke veze
Reakcije aldehida i ketona Aldehidi i ketoni su kemijski reaktivni. Aldehidi su jača redukcijska sredstva od ketona i zato ih možemo oksidirnti u odgovarajuće karboksihle kiseline čak i blagim oksidacijskim sredstvima npr. Tollensovim reagensom i Fehlingovim reagensom pa ih tako i dokazujemo.
Kemija u 24 lekcije
207
21. Aldehidi i ketoni Test-reakcije na aldehidnu skupinu: 1. Tollensov reagens= «test srebrnog zrcala», 2. Fehlingov reagens (crvenosmeđi talog, Cu2 0).
Ketone možemo oksidirati u karboksilne kiseline samo ako koristimo jaka oksidacijska sredstva (vruća HN0 3). Osim što reagiraju reakcijama oksidacije, aldehidi i ketoni reagiraju i reakcijama redukcije (hidrogeniranje). Redukcijom iz aldehida nastaju primarni alkoholi, a iz ketona sekundarni alkoholi.
primarni alkohol
sekundarni alkohol
aldehid
keton
~
~
Karakteristična reakcija za aldehide i ketone je nukleofilna adicija . Zbog polarnosti veze ugljik-kisik, nukleofilni reagens u reakcijama adicije se lako veže s ugljikom, npr. adicija alkohola na karboni Inu skupinu aldehida ili ketona u kiseloj sredini daje poluacetale ili poluketale. w 9cH3 CHFHl~ + cttpH ~ CH3 CH2 CH - oH H (poluacetal)
p
olf
OCK
w
T
CH3 CH2 C CI-1 3 + CHpH ~ CH3 CH2
,
yCH
3
OH (poluaketal) Reakcije s mješovitim metalnim hidridima (LiAlH4 ili NaBH4 ):
o
o-Li+
0-< +LiAIH ->09-tt +AIH 4
H
fenihnetanal
o-Li+
0 {-H+ Hp ~ H
3
H
o
CH20H + LiOH
fenilmetanol
Redukcijom karbonilnih spojeva s metalnim hidridima nastaju primarni i sekundarni alkoholi.
208
Kemija u 24 lekcije
L
Fehlingov reagens sastoji se od dvije otopine. Fehling Ije otopina bakrova(ll) sulfata koja se dobije otapanjem modre galice u destiliranoj vodi. Febling Uje lužnata otopina kalijeva natrijeva tartarata (so 1vinske kiseline). U reagansu su pomiješani F eh 1ing I i Fehling 11 i smjesa je razdijeljena u dvije epruvete. U prvu su dodane 3 kapi etanala, a u drugu tri kapi propanona. Obje su epruvete zagrija:vane nekoliko minuta. a) Što se moglo uočiti u prvoj epruveti koja je sadržala etanal? Objasni. b) Što se dogodilo u epruveti s propanonom? c) Prikaži kemijsku reakciju kojom smo dokazali aldehid.
L
Metanal i etana! (aldehidi) reduciraju, a propanon (keton) ne reducira amonijakalnu otopinu srebrovih iona. Tollensov reagens je pripravljen od srebrova nitrata koji je otopljenu destiliranoj vodi, te je dodana otopina amonijaka nakon čega nastaje bijeli talog. Dodavanjem otopine amonijaka nastali talog se otopi . Tol lensov reagens je razdijeljen u dvije epruvete. U prvu je dodan acetaldehid (etanal) te je lagano zagrijavana u kosom položaju. U drugu epruvetu je dodan aceton i zagrijavana je. a) Što se opaža u prvoj epruveti? b) Što se opaža u drugoj epruveti? c) Što reducira srebrove ione u elementarne srebro? d) Prikaži navedenu reakciju.
L
Organometalnim spojevima pripadaju organomagnezijevi spojevi koji se obično zovu Grignardovi spojevi. Opća im je struktura R-MgX. Prikaži adicijsku reakciju Grignardova reagensa na butan-2-on.
L
Zaokruži točnu tvrdnju:. a) Aceton je plin bockava mirisa. b) Formaldehid je plin bockava mirisa. c) Etanal je plin bockava mirisa.
L
Zaokruži netočnu tvrdnju. a) Enolje tautomer (-en znači nezasićenost a -ol prisutnost OH skupine). b) Pozitivni dio karbonilne skupine je ugljikov atom i tu se može vezati nukleofil. c) Aldehidi lakše oksidiraju od ketona. d) Ketoni su reducensi pa reduciraju srebrove ione u elementa.mo srebro.
L
Ketoni oksidiraju u karboksilne kiseline uz jako oksidacijske sredstvo. Prikaži reakciju ketona i vruće dušične kiseline. Objasni mehanizam reakcije.
L._ Kojoj vrsti kemijskih reakcija pripada redukcija aldehida s LiAlH4 , obzirom na strukturne promjene do kojih dolazi? a) adiciji b) eliminaciji c) supstituciji
Kemija u 24 lekcije
209
21. Aldehidi i ketoni
L
Oksidacijom butan-2-ola uz Cr03 nastaje nova tvar X koja reagira s Fehlingovim reagensom. a) Kojoj vrsti spojeva pripada nastala tvar X? b) Koji spoj će nastati reakcijom tvari X s LiAIH4 ? c) Nacrtaj strukturnu formulu tvari X.
L
Formalinje: a) otopina formaldehida u vodi c) smjesa metanola i vode
b) otopina fenola u vodi d) otopina mravlje kiseline u vodi
e) smjesa etanola i vode. ~ Fonnaldehid nastaje:
a) destilacijom metanola
b) redukcijom metanola
c) oksidacijom metanola
d) destilacijom mravlje kiseline
e) hidrolizom metanola.
1h a) Prikaži jednadžbom kemijsku reakciju etanola i kalijeva bikromata u kiseloj sredini na kojoj se temelji alkotest. b) Kojoj vrsti reakcija p1ipada ta reakcija?
21 O
Kemija u 24 lekcije
22.
lekcija
22. Karboksilne kiseline i njihovi, Qerivati
r
Karboksilne kiseline su organski spojevi koji i.maju jednu ili više karboksilnih skupina-COOH. Opća formula im je RCOOH. Mnoge karboksilne kiseline uz karboksilnu skupinu imaju još i hidroksilnu - OH, pa su to hidroksikarboksilne kiseline. Imaju li pak aminoskupinu - NH2 , to su aminokiseline.
Fizikalna svojstva Karboksilne kiseline od C I do CI O su tekućine oštra mirisa, od C4 do C6 uljaste tekuć ine mirisa znoja, dok one koje imaju više od I O C-atoma su krute tvari. Prve su dobro topljive u vodi jer je izražena djelovanje polarne karboksilne skupine pase molekule karboksilnih kiselina povezuju s vodom pomoću vodikovih veza. One s dulj im lancem su netopljive jer se polarni utjecaj -COOH skupine smanjuje, a povećava se utjecaj nepolamog ugljikovodičnog lanca. Karboksilne kiseline imaju viša vrelišta od alkohola slične relativne mase, a razlog je u tome što se njihove molekule asociraju (udružuju) u dimere, pa je potrebna viša temperatura za njihovo rastavljanje. Karboksilna kiselina Metanska ili mravlja
Sažeta strukturna formula HCOOH
Butanska ili maslačna
Nalazi se u mravima, gusjenicama, dlačicama koprive, u pčelama, a u dodiru s kožom izaziva plikove i crvenilo. Sastojak je vinskog octa i koristi se u prehrani (6 - 9 %). Nastaje octenim kiselim vrenjem. Octena esencija je 80 %-tna, ona djeluje nagrizajuće na kožu. Ledena octena kiselina je u krutom stanju (kao kristalići leda) na 17 °C.
Etanska ili octena
Propanska ili propionska
Svo,jstva
CH3CH2COOH
Natrijeve i kalijeve soli ove kiseline se koriste kao. dodatak kod pečenj a kruha i peciva jer sprječavaj u nastajanje plijesni.
CH 3 CH 2CH 2COOH Nastaje kvarenjem maslaca. Ima je i u znoju (od nje potječe neugodan miris). Pas je može osjetiti u vrlo maloj koncentraciji pa tako slijedi lj udski trag. Pripada o.-bidroksikarboksilnim kiselinama. Tekućina je koja je topljiva u vodi. Bakterije mliječnoki selog vrenja razgrađuju mliječni šećer (laktozu) u mliječnu kiselinu. N astaje i u mišićima napornim radom (grčevi).
o
//
- C
\
OH karboksilna skupina
212
Kemija u 24 lekcije
H.- C\ OH metanska kiselina (mravlja kiselina)
o
o
o
//
li
//
HC - C 3
\
OH etanska kiselina (octena kiselina)
CH 3CH2 CH2 -
Cz
OH butanska kiselina (maslačna)
Uvod Kemijska svojstva Karboksilne kiseline u vodi disociraju. To su slabe kiseline pKa = 4 - 5 (najjača je oksalna, pa mravlja), supstituirane karboksilne kiseline (Cl, F, OH vezani na a-C-atom) su jake. Jaka kiselina je npr. kloroctena kiselina jer vezani supstituent stabilizira anion. Što je eJektronegativniji supstituent dalje od karboksilne s.kupine, to mu je u~jecaj slabiji.
o
o
//
//
R-C
+ H O-----+ R-C
\
· 2
OH
-
+H
\
o-
o+
3
karboksilatni anion
Disocijacija: RCOOH + H 2 0 - Rcoo- + H 30 + HCOOH + H 20---+ HCoo- + Hp+ (metanoat ion ili formijat ion) CH3COOH + H20 - CH3Coo- + Hp+ (etanoat ion ili acetat ion) Reagiraju reakcijama tipičnim za kiseline i grade soli. Reakcijom neutralizacije s bazama daju u vodi topljive soli karboksilate. Neutralizacija: RCOOH +NaOH ---+ RCOONa + H 2 0 HCOOH + NaOH---+ HCOONa + 8i0 (natrijev m.etanoat ili natrijev fom1ijat) CH3COOl·I + NaOH---+ CH3COONa + Hp (natrijev etanoat ili natrijev acetat) Dobivanje karboksilnih kiselina: a) Mravlju kiselinu dobivamo oksidacijom aldehida metanala. HCHO---+HCOOH Oksidacija
~~ //
R - CH .""2OH---+R - C\
o
//
---+R - C\
~~OH Redukcija alkohol
aldebid
karboksilna kiselina
b) Octenu kiselinu dobivamo oksidacijom etanola (octeno kiselo vrenje). CH3CHpH + 0 2 ---+ CH3COOH + Hp (uz enzime iz octenih bakterija) Više masne kiseline su: palmitinska kiselina (heksadekanska kiselina)
CHiCH2)14COOH ili CtsHJLCOOH
stearinska kiselina (oktadekanska kiselina)
CH3(CH2)16COOH ili C17H3sCOOH
oleinska kiselina (cis-9-oktadecenska kiselina)
CHlCH2\CH=CH(CH2)1COOH ili c ,1H3FOOH
linoleinska kiselina
CH/CI-12 \CH = CHCH2 CH = CH(CH2 ) 7COOH Kemija u 24 lekcije
22. Karboksilne kiseline i njihovi derivati
Derivati karboksilnih kiselina Derivati karboksilnih kiselina su spojevi koji se dobivaju reakcijom supstitucije iz karboksil.nil1 kiselina i odgovaraj ućeg nukleofilnog reagensa (:Nu ili :Nu-). Derivatima karboksilnih kiselina pripadaju: esteri, amidi, anhidridi, acil-halogenidi.
IEsteri Opća 'formula esteraje RCOOR''. To su neutralne tekućine jer nemaju polarnu skupinu. Hlapljivi su i ugodnog mi1isa. Slabo su topljivi u vodi a dobro se otapaju u organskim otapalima. Imaju znatno niže vrelište od kiselina (iako su polarne molekule međusobno ne tvore vodikove veze). Mirisi voća i cvijeća potječu od estera.
Nastaju reakcijom karboksilnih kiselina s alkoholima uz izdvajanje molekule vode. To je reakcija esterifikacije:
RCOOH + R"OH -
RCOOR" + H O
Reakcija je povratna: - >esterifikacija -hidroliza estera 2
U imenu estera sadržana su imena alkohola i kisline iz kojih nastaje. Prva rij eč u imenu je ugljikovodična skupina iz alkohola (nastavak je - iI), a druga riječ je naziv sol i iz kiseline (nastavak je - oat). HCOOH + CHpH ~ HCOOCI-13 + ~O metanska kiselina metanol metil-metanoat CH3 COOH + CH3CH2CHpH ~ CH3COOCH2CHFH3 + Hp etanska kiselina propanol propi 1-etanoat
o
o
//
o 0//'octt
//
R- C
HC - C
\
C
\
OR'
OC2HS etilacetat
3
metil-benzoat
Acetilsalicilna kiselina je kiselina i ester. To je ljekovita tvar u Aspirinu ili A..ndoln, a djeluje kao antipiretik (snižava temperaturu) i kao analgetik (umanjuje bol). Neki esteri su polazni monomeri za dobivanje pl astičnih masa, npr. pleksiglasa, po1iesterskih vlakana i sl.
IA: idl
d . . k b k ·1 ., k" 1· k .. . k b 'ln kn . . o su envati ar o 'St m 1 1se ma u o_pma Je ar om a s pma vezana za am1noskupinu ili za supstituiranu aminoskupinu.
o
o
//
R- C
\
NH2 primarni amid
214
Kemija u 24 lekcije
//
CH3
-Cz
~ etanamid (acetamid)
//
o
CH, =CHC
-
\
NI-I2 2-propenamid (akrilamid)
o
o //
R- C
\
NHR' sekundarni amid
//
R -C
\
NR'R"
tercijarni amid
Svi amidi karboksilnih kiselina su neutralne čvrste tvari (samo je formamid tekući na). Vrelišta su im visoka zbog stvaranja vodikovih veza. Vodikove veze grade i s vodom pa su u njoj dobro topljivi. Za amide je kao i za estere karakteristična reakcija hidrolize u kiseloj sredini pa nastaje odgovarajuća karboksilna kiselina i amonijak, dok u bazičnoj sredini nastaje sol i amonijak. o o li
I/
H-
+ H 20 ~ CH3C,
Kisela sredina: CH3C, NH2
OH
o
Bazičn a
sredina:
CH3 Ć\
+ NaOH
H,o >
NH2
+ NH3
o
CH-3 Ć\
+NKJ
ON a
Urea je diamid jer se karboni Ina skupina veže s dvjema aminoskupinama.
oli „C..._ karbamid ili urea H2N NH 2
lAnhidridi karboksilnih kiselina
o
I/
CH3 -C\
To su spojevi opće formule (RC0)20 . Ako su uglji-
p
kovodične skupine iste, tada se ime tvori tako da se riječ
"anhidrid" stavi ispred imena kiseline. Ako su ugljikovodič ne skupine različite, tada se navode abecednim redom. Iz dv ije molekule kiseline izdvoji se molekula vode. Anhidridi lako hidroliziraju i u bazičnoj i u kiseloj sredini.
CH3- ~
o anhid1id octene kiseline (acetanhidrid)
I
Acil halogen idi
Nj ih nema u pr irodnim materijalima (kao ni amida) jer su stabilni jedino u bezvodnoj sredini. U njima je atom halogenog elementa izravno vezan na acilnu skupinu.
o
li
CH.C J \
CI etanoil-klor.id
o I/
CKCH 2 CH?C J - \ CI
butanoil-klorid
Kemija u 24 lekcije
215
22. Karboksilne kiseline i.njihovi derivati
IMasti i ulja Masti i ulja su prirodni esteri alkohola glicerola i triju viših masnih kiselina koje mogu biti iste ili različite. Nazivamo ih trigliceridima ili triacilglicerolima. To su energetski bogati spojevi (razgradnjom 1 g masti dobije se dvostmko više energije nego razgradnjom 1 g ugljikohidrata ili bjelančev ina) . Npr: Glicerol + 3 molekule palmitinske kiseline = 1,2,3-tripalmitoilglicerol (mast) Mastima nazivamo spojeve životinjskog podrijetla, a pri sobnoj temperaturi su krute tvari gustoće veće od vode. Ulja su biljnog podrijetla, a dobivaju se iz sjemenki ili plodova biljaka uljarica (suncokret, soja, maslina ... ), tekućine su na sobnoj temperaturi, a gustoća im je manja od vode pa plivaju na vodi. U vodi nisu topljivi (slično etapa slično, a voda je polarno anorgansko otapalo) ali su topljivi u organskim otapalima (benzen). Masti i ulja pregrijavanjem lako planu i gore. Zapaljeno ulje i mast se ne gase vodom! Fizikalna svo.jstva masti i ulja ovise o udjelu nezasićenih masnih kiselina. Masti imaju viša tališta od ulja. Masti i ulja su podložni kvarenju i užeglosti zbog djelovanja mikroorganizama i kisika iz zraka. Zato se ulja katalitički hidrogeniraju i prevode u polukmte biljne masti. To je postupak adicije atoma vodika na dvostruke veze uz katalizator. Dobiveni produkt je margarin (o bogaćen mlijekom, vitaminima i prirodnom bojom). Kako se masti i ulja ne miješaju s vodom, snažnim mućkanjem možemo pripremiti emulziju u kojoj su masnoće raspršene u obliku kapljica. Emulzija je smjesa dviju tekućina koje se međusobno ne miješaju nego je jedna tekućina raspršena u obliku sitnih kapljica u drugoj tekućini . Stajanjem se opet masnoća izdvaja od vode. Emulgator je tvar koja stabilizira emulziju. Za emulziju ulja i vode emulgator je žumanjak jajeta. U čokoladi tu ulogu ima lecitin, a u mlijeku je to kazein. Osim u prehrani, masti i ulja se koriste i u proizvodnji sapuna. Hidrolizom triglicerida u prisustvu NaOH ili KOH nastaju glicerol i smjesa alkalijskih soli masnih kiselina poznata pod imenom sapun. Saponifikacija je bazična hidroliza estera. Sapuni su sredstva za pranje koja smanjuj u površinsku napetost vode i otapaju masti. Dobivaju se kuhanjam masti životinjskog podrijetla ili biljnih ulja s jakom lužinom. mast ili ulje+ lužina----, glicerol + RCOONa (sapun) Natrijevi sapuni su tvrdi, a kalijevi mekani (tekući sapun). Molekula im se sastoji od dugog nepolarnog ugljikovodičnog lanca (repa) koji je hidrofoban i karboksilatnog aniona (glave) koji je hidrofilni dio. Hidrofobni dijelovi sapuna i masti se okrenu jedni prema drugima, a vanjski dijelovi tog micela postaju hidrofil.ni, pa se masne mrlje uklanjaju jer se razbijaju u sitnije kuglaste micele. Sapuni i deterdženti se razlikuju po kemijskom sastavu. Vodene otopine sapuna pokazuju lužnatu reakciju. Deterdženti se proizvode iz naftnih derivata. Ne pokazuju nedostatke sapuna jer su njihove otopine neutralne pa su po djelovanju blaži. S Ca2+ te Mg2+ ne daju teško topljive soli kao sapuni pa su pogodni za pranje u tvrdoj vodi. Dodaju im se sredstva za izbjeljivanje, omekšivači, mirisi i enzimi za poboljšanje učinka pranja.Problem su fosfati koji im se dodaju radi omekšavanja vode i uklanjanja mineralnih čestica iz nečistoća. Opasna je povećana koncentracija fosfata u vodama jer tada vodeno bilje pretjerano raste pa vode postaju neprozirne, a biljke i planktoni počinju ugibati. Tada ugiba i ostali živi svijet. Fosfati se u deterdžentima zamjenjuju zeolitima.
216
Kemija u 24 lekcije
L
Prikaži nastajanje dimera etanske kiseline. Kako nastanak dimera utječe na vrelište?
L
Soli mravlje kiseline su fom1ijati ili metanoati. a) Prikaži reakciju nastajanja natrijeva fonn ijata. b) Čime se može istisnuti mravlja kiselina iz natrijeva fonnijata? c) Gdje se koristi mravlja kiselina? d) Prikaži reakciju njenog zagrijavanja sa sumpornom kiselinom.
L
Oksalna kiselina je najjednostavnija dikiselina. a) Napiši molekulsku formulu njenog dihidrata. b) U kojim otapalima je topljiva? c) Gdje se nalazi u p1irodi? d) Prikaži reakciju u kojoj oksalna kiselina reducira permanganat-ione, a sat.n a oksidira u ugljikov dioksid.
L
Salicilna kiselina i njeni derivati su analgetici i antipiretici. Prikazana je strukturna formula aspirina (acetilsalicilna kiselina). Koji je to kemijski spoj? a) alkohol
L L
b) eter
c) karboksilna kiselina
Prikaži nastajanje propilmetanoata. Na koji način ravnotežu možeš pomaknuti u stranu estera? Diamid-urea nastaje biokemijskom razgradnjom: a) ugljikohidrata
b) masti
c) estera
d) proteina.
?..:_ Formuli spoja pridruži točan naziv spoja tako da na crtu napišeš odgovaraj uće slovo. COOH
o
I
COOH C~COOCH3
//
CHCHC 3 2 \
b) propanamid
NH2
c) etanska kiselina
o
d) salicilna kiselina
COOH
(('
//
CHFH,C
- 'c1
oli
Oc'c1
a) metil-etanoat
e) benzoil-klorid t) propanoil-klorid
g) oksalna kiselina CH3COOH
Kemiji:! u 24 lekcije
217
22. Karboksilne kiseline i njihovi derivati ~
Dovrši sheme reakcija.
Hp1W·
o
//
o
//
R-C
R'OH>
R-C\
\
I
CI
R'OH
o
R-C
'o
NH3
acil-klorid
..
anhidrid
L
Pažljivo prouči reakcijske sheme. Popuni tablicu odgovaraj ućim podalcima.
I
A
I
a) Cl-13 - CH3 __!::L_> B
Naziv
Formula
A
B
b) B ~ C c) C K,Cr,o , D
C D E
1-1-
d) C + D ~ E + Hp
10. Octena kiselina je sastojak octa.
Izračunaj
koncentraciju kiseline u octu ako je njen
maseni udio 0,09. Može se smatrati da je gustoća octa I g/cm 3. 11. Može li se vodeni kamenac
očistiti
octom?
12. Hidrolizom acetil-kJorida nastaje: a) anhidrid octene kiseliJ1e ~
b) octena kiselina
d) acetil i klorid
c) etanol
Zaokruži netočnu tvrdnju : a) Za amide je karaklerislična hidroliza. b) Esteri nastaju hidrolizom. c) Hidroliza je reakcija estera i vode.
14. Nazive spojeva pridruži skupinama tako da na praznu crtu upišeš odgovarajuće slovo. metil-etanoat
a) sol
natrijev metanoat
b) ester
metanoilklorid
c) acil-halogenid
15. Etanol nastaje alkoholnim vrenjem. Što nastaje biokemijskom oksidacijom etanola? Prikaži reakciju.
16. Sapunima odgovaraju sljedeće tvrdnje: a) To su esteri viših masnih kiselina i alkohola glicerola. b) To su soli viših masnih kiselina. c) To su aldehidi viših masnih kiselina.
218
Kemija u 24 lekcije
-
--
-
-----
22. iekcija: Zadatci cl) Nastaju u reakciji sumporne kiseline i glicerola. e) Nastaju hidriranjem masti i ulja. 17. Etil-acetat nastaje reakcijom : a) CH3-COOB + CH3 - CI-IpH
b) CH3 - CHpH + HCOOH
c) CH3 - COOH + CH3 - CH3
cl) CJ\ - CI-lpH + CH 3 - CO - CH3
e) nijedna reakcija ne odgovara.
18. Masti spadaju u red: c) alkohola diola d) soli b) estera a) proteina Po svojoj strnkturi masti su esteri glicerola i masnih kiselina. ~
e) aldehida.
Eter nastaje oduzimanjem jedne molekule vode iz: a) 2HCOH b) 2CH - CHO c) 2CH3-CT\ d) 2CH3-CHpH e) 2CH3-COOH. 3
20. Spoj fommle CH3 -CIIOH-COOH je:
~~
a) primami alkohol
b) sekundarni alkohol
d) octena kiselina
e) aceton.
c)
mliječna kiselina
Zagrijavanjem kalcijeva acetata nastaju:
a) aceton .i kalcijev karbonat
b) acetaldehid i kalcijev karbonat
c) fonnaldehid i C0
cl) C0 2 i aceton
2
e) mravlja kiselina i CO.
22. Za hidrogeniranje l mola oleinske kiseline pott·ebno je vodika: a) l mol
b) 2 mola
c) 3 mola
d) 0,5 mola
e) 0,1 mol.
c) etanol
d) acetilen
e) acetaldehid.
23. Hidrolizom etilacetata nastaje: a) aceton
b) etana!
24. Aceton je: a) nezasićeni ugljikovodik b) butan-2-on c) spoj nastao dehidrogenacijom primarnog alkohola d) spoj nastao dehidrogenacijom sekundarnog alkohola c) spoj nastao iz kalcijeva karbida i vode.
25. Jestivo ulje: a) sadrži oleinsku kiselinu b) kuhanjem s Južinom daje slobodne masne kiseline c) je glicerolpalmitat d) katalitički m hid1iranjem daje sapune e) niti jedna od navedenih tvrdnji nije točna.
Kemija u 24 lekcije
219
23. lekcija
23. Ugljikohidrati
r
UglJ.ikobidrati su organski spojev i opće fommle C (H,O) . Jednostavniji članovi n 111 ove skupioe zovu se šećerima. Nastaju u kloroplastim a biljaka na sunčevoj svjetlosti procesom fotosinteze. 6H 2O + 6CO2
stmćov.i svjetlost klorofil
C H O + (jQ 6 12 6 2
Ovaj proces se sastoj i od više pojedinačnih reakcija kojima upravljaju biokatalizatori (enzimi). Glukoza je živim bićima potrebna za stanično disanje svake stanice što se dogada u mitohondriju. Staničnim disanjem nastaje ugljikov d.ioksid (koji izdišemo), voda i oslobađa se energija potrebna za rad tijela.
Ugljikohidrati su i.zvor su energije i gradivni elementi stanice. Dijelim o ih na: • monosaharide
• oligosaharide
Monosaharidi ili jednostavni
• polisaharide.
šećeri
Prema broju C-atoma razlikujemo triozc (3 C), tetroze (4 C), pentoze (5 C), heksoze (6 C) i druge. Najvažniji monosaharidi su pentoze (riboza, deoksiriboza) le heksoze (glukoza, fruktoza i galaktoza). Sve imaju istu molekulsku fommlu (C H 0 J, a različitu 6 12 strukturnu formulu. Glukoza je najvažniji izvor energije, nastaje reakcijom fotosinteze. To je bijela kristalna tvar slatkog okusa. Dobro je toplj iva u vodi. Ima je u medu, krvi, voću. Glukoza koja se nalazi u pri.rodi j e aldoheksoza (ima aldchidnu skupinu), ima D-relativnu konfiguraciju i zakreće ravninu pola,izirane svjetlosti u smjeru kazaljke na satu(+). Struktura glukoze nije lančasta, kao što prikazuje formula, već je prstenasta. To je zato jer se karbonilna skupina i hidroksilna skupina u molekuli reakcijom nukleofiloe adicije spontano zatvore u prsten pa nastaje struktura koja je energetski povoljnija. Za dokazivanje glukoze koristimo Fehlingov reagens (nastaje crvenosmeđi talog). Fruktoza je slađa od glukoze i dobro topljiva u vodi. Razgrađuje se brže od glukoze pa je stoga popularna u sportskim pićima, a preporučljiva je i dijabeti čarima. Fruktoza je ketoheksoza koja također ciklizira (savije se u prsten). Pritom nastaje prsten koji se sastoji od 4 C-atoma i jednog O atoma. glukoza aldoheksoza
H O ' .,,,.
,c
H - 'C - OH 3
I
H0- C-H
Kemija u 24 lekcije
-
I
HO-lC - H I
I
H - 5C-OH
I
"CHpH
CHp H
222
I
1C = O I-1 - 4C-OH
H - C-OH 6
CH,OH
1
I
H - ·'C - OH 5
C6H1206 fruktoza ketoheksoza
I
I
•
-
- ---==
-
-
-
·-
-
Uvod
D(+) -glukoza, D-aldoheksoza, dekstroza, zakreće ravninu polariziranog svjetla udesno,
reducirajući
D(- ) -fruktoza, D-ketoheksoza, voćni šećer - nereducirajući .
H
~ -I
o
on
I
H - 1 C - OH I
H0 - C - H 3
I
H -'C - OH I
H - 5C - OH I
OH
glukoza
o
' C ""
CHpH O-glukoza
o
"' CI
H /
HO - 'C - H I
H - 3C - OH I
HO -'C - H I
Ho _.~c - H I
CHpH
~ o
O
L-glukoza
CHpH
OH
H
fruk.'toza
Svi monosaha1i di (osim ketottioze) su kiralni spojevi jer sadrže jedan ili više asimesupstituiranih C-atoma. Broj mogućih slereoizomera je 211 (nje broj asimetričnih C-atoma).
trično
Oligosaharidi ili složeni šećeri Građeni su od 2-1 O molekula monosaharida. N ajzn ačajniji su cl isaharidi koji nastaju spajanjem dviju molekula monosaharida koje se povezuj u glikoz idnom vezom. Saharoza, obični konzumni šećer sastoji se od glukoze i fruktoze koje su povezane (a. ~) (1,2)-glikozidnom vezom, znači daje povezan CI -atom glukoze s C2-atomom fruktoze . Nala7.i se u šećernoj repi i šećernoj trsci. Hidrolizom saharoze dobije se smjesa jednakih količina g lukoze i fruktoze:
C12H220 11 + H20 _,. CliH,206 -t C6H1206 saharoza
glukoza inve1tni
fruktoza šeće1i
Laktoza (C 12I-I22 0 11 ) ili mliječni šećer sadrži glukoZl.l i galaktozu. Sastojak je mlijeka sisavaca, a nastaje u mliječnim žlijezdama ženki. Maseni udio laktoze u kravljem mlijeku je 4 - 6 %. a kod žena 5 - 8 %. U laktozi je CI -atom galaktoze povezan 1}(1.4) glikozidnom vezom s C4-atomom glukoze. Maltoza (pšeničeni iliječmeni slad) sastoji se od dviju molekula glukoze. Disaharidi se sastoje od dvaju rnonosaha1ida povezanih a(l,4)glikozidnom vezom. Nereducirajući šećeri :
saharoza.
Reducirajući šećeri : laktoza (mliječ ni šećer), maltoza (sladni šećer, nastaje nepotpunom hidrolizom koju katalizira mahaza).
Polisaharid i
Polisaharidi su sastavljeni od više molekula monosaharida. Njima pripadaju škrob, celuloza, glikogen i hitin. Svi polisaharidi su izgrađeni od molekula glukoze. Opća formula imje (C 6H 1p 6) 11 •
Kemija u 24 lekcije
223
23. Ugljikohidrati
Škrob je rezervni polisaharid biljaka, a biljke ga pohranjuju u korijenu, plodu, gomolju i sjemenkama. Građen je od stotina molekula glukoze koje su povezane u spiralnim lancima. Javlja se u dva obli.ka: amiloza (nerazgranata, 1/5 škrobne mase, topljiva u vodi) i amilopektin (razgranat, 4/5 škrobne mase, netopljiv u vodi). Po količini koju unosimo u tijelo, to je najvažnija hrana ljudi i domaćih životinja. Netopljiv je u hladnoj vodi dok u vrućoj vodi stvara koloidnu otopinu koju zovemo škrobno ljepilo. Za ljude je škrob probavljiv jer se razgrađuje s pomoću enzima a-glukozidaze. Škrob dokazujemo otopinom joda u kalijevu jod idu (lugolovom otopinom) koja poplavi. Lančasta molekula škroba je uvinuta u spirnlu. Karakteristično obojenje posljedica je ulaganja molekulskogjoda u spiralu, što uzrokuje snažnu apsorpciju dugovalnog zračenja pa se pojavljuje plavoljubičasto obojenje kompleksa škroba s jodom. Glikogen je rezervni šećer kod životinja i ljudi. Čovjek može pohraniti oko 0,5 kg glikogena u jetri i mišićima. A.ko u tijelu postoji potreba za energijom tada se glikogen (s pomoću hormona glukagona koji luči gušterača) može razgraditi do glukoze koja onda u procesu stan.ičnog disanja može dati potrebnu energiju. Celuloza je građevni polisaharid biljaka kojima gradi staničnu stijenku, hife nekih gljiva i bakterije. Za većinu životinja i čovjeka celuloza je neprobavljiva ali je važna za peristaltiku crijeva, daje osjećaj sitosti i skraćuje vrijeme prolaska masti kroz crijeva. Dobra je zaštita krvnih žila jer smanjuje otapanje i upijanje kolesterola. Pamuk je gotovo čista celuloza, dok papir sadJži 40 %, a šećeri 50 % celuloze. Celuloza nije topljiva u vodi. To je, kao i amiloza, linearni polimer glukoze. U njoj su molekule glukoze povezane P( 1,4)-glikozidnom vezom. Hitio je polimer glukoze koji sadrži aminoskupinu. Glavni je sastojak pokrova kod člankonožaca (kukci, rakovi) i staničnih stijenki hifa ne.kih gljiva. Kod člankonožaca ima
potpornu i zaštitnu ulogu (od vanjskih utjecaja). Hitin nije topljiv u vodi, niti je probavljiv za čovjeka. Može se razlagati samo pod utjecajem enzima (npr. imaju ih organizmi koji se hrane kukcima), u jakim kiselinama ili lužinama.
,,zomerija lzomeri su spojevi iste molekulske mase i jednake kemijske fonnule, a mogu imati različita svojstva zbog različitog rasporeda atoma u molekuli.
Izomeri mogu biti konstitucijski i stereoizomeri. Konstitucijski ili strukturni izomeri imaju istu molekulsku, a različitu strukturnu formulu (isti broj različitih atoma u molekuli, a različit raspored atoma i veza). Imaju različita fizikalna i kemijska svojstva. Npr. CI\- O- CH3 (dirnetil-eter) i CH3CHpH (etanol); C2 Hp CH3 - CI\- CH= CH2 (but-1-en) i CH3 - CH= CH - CH (but-2-en) 3
Stereoizomeri imaju istu molekulsku i strukturnu fonnulu, a različit prostorni raspored atoma (prostornu formulu).
224
Kemija u 24 lekcije
.
--------
.
--
- -
- --
lzomerija Geometrijski izomcri - cis-/ trans- ili ZIE - različite skupine (ili skupine prioriteta) nalaze se na istoj ili na različitim stranama dvostruke veze.
<
konstitucijski (strukturni)
izomeri
<
konformacijski
stereoizomeri
različitog
<
enantiomeri
konfiguracijski
dijastereoizomeri Konformacijski izomeri pri sobnoj temperaturi rotacijom oko jednostruke veze lako prelaze jedni u druge, ali se ne mog11 razdvojiti. Konfiguracijski izomeri pri nonnalnim uvjetima teško prelaze jedni u druge, mogu se razdvojiti. Optički izomeri - 4 različite skupine su vezane uz jedan atom ugljika različitim redoslijedom tako da se nikakvim okretanjem molekule ne mogu preklopili. Svaki atom ugljika za koji su vezane 4 različite skupine je asimet1ič110 supstituirani ugljikov atom i naziva se kiralni C-atom odnosno kiralni centar ili kiralno središte.
Određivanje apsolutne konfiguracije: R ili S pomoću CIP-pravila
Enanttomeri - optički izomeri koji se odnose kao predmet i zrcalna slika, ali se ne mogu preklopiti. Na svakom kiralnom C-atomu jedan ima suprotnu konfiguraciju od drugog na odgovaraju ćem kiralnom C (ako je u jednom S, u drugom je R i obrnuto). Konfiguracija je razmještaj skupina atoma nekog spoja u prostoru. Dva enantiomera imaju suprotne konfiguracije.
Br
Br
~ HS
iiNH2 OH
s
o
H
HN
'I H--cOH
H
I
Br
I-1 - 'C-OH
I
\
F CJ
,,,,,,,, C ""-. F / Br CI
i
I
I
H - 3C -OH I
I I
HO - 'C-H
I
H0 - 5C-H
I I
I
CHpH D-glukoza
H
HO - C - H
I
I
H - ;C - OH
/
C
H0-3C - H 1
/ c ..,,))))
~
I
R
H
o
' C ""
I
CHpH L-glukoza
enantiomeri Enantiomeri su kiralni spojevi, a posljedica kiralnosti je optička aktivnost. Di Lje drukčiji tip oznaka koji se koristi u biokemiji, a nije apsolutna nego relativna konfiguracija. Koristi se prvenstveno za šećere i aminokiseline. D šećer ima OH skupinu najdalju od aldehidne ili ketonske skupine desno, a L lijevo. Ovakav način prikazivanja naziva se F'ischerova projekcijska fonnula. Dijastereomeri - optički izomeri koji se ne odnose kao predmet i njegova zrcalna slika, a mogući su samo ako u molekuli postoje najmanje 2 kiralna C-atoma.
Kemija u 24 lekc1ie
225
123. Ugljikohidrati H....... O C ~
I
H - C - OH I
HO-C-H E ? - OH H - C - OH I
CHpH D-glukoza
H
'
O C
~·
I
H-C - OH I
HO - C - H
HO- ~ - o_B) H - C - OH I
GF\OH D-galaktoza
Ako spoj ima n asimetri čno supstituiranih ugljikovih atoma, strukturnom fomm lom ima 2n.
optičkih
izomera s tom
CIP- pravila su nazvana prema kemičarima koji su ih osmislili: Cahn, Ingol.d i Prelog. Koriste se za određivanje ZIE odnosno RIS konfiguracija (geometrijskih i optičkih izomera) prema prioritetima. Veći prioritet (broj I) ima atom većeg rednog br~ja u PSE direktno vezanog uz C kojem se određuje konfiguracija. Ako su na kiralni centar vezana dva istovrsna atoma, treba pogledati sljedeći atom vezan uz njih . .Postojanje dvostruke il i trostruke veze računa se kao dvije, odnosno tri jednostrnke veze. Molekula se promatra kroz kiralni centar tako da je skupina s najmanjom prednošću usmjerena od nas. Ako su skupine 1,2,3 poredane u smjeru kazaljke na satu, naziva se R-konfiguracija (Jat. rectus, desno), a ako su u suprotnom smjeru onda govori.mo o S-konfiguraciji (lat. sinister, lijevo)
4
3CH I
3 J
0
2
H~NH2
(S)
I
OH
4~9 3
(R)
Enantiomeri se razlikuju po jednom fizikalnom svojstvu: zakretanju ravnine polarizirane svjetlosti (za koliki je kut jedan zakreće u desno, za toliki je drugi zakreće ulijevo, ali to desno-lijevo nema veze s R- S) te po reakcijama s drngim takvim (ki ratnim) molekulama, što je osobito važno za biokemijske reakcije (enzimi su u pravilu molekule s puno .kiralnih centara), a dijastereomeri se često razlikuju i po drngim kemijskim i fizika lnim svojstvima. Ako je potrebno napisati drugi enantiomer (npr. imamo S a hoćemo R) ili dijastereomer, samo se zamijene dvije skupine na istom kiraJ.nom C (za enantiomer se to napravi na svim kiralnim C, za dijastereomer samo na nekom).
226
Kemija li 24 lekcije
23. lekcija: Zadatci
L
Disaharidi su spojevi fomrnle C 12H220 ćera.
L
Broj a) 1
L
L
Zao.kruži slovo ispred
nereduci.rajućeg še-
c) maltoza
asimelričnih
atoma u molekuli fruktoze je: b) 2 c) 3
d) 4
e) O.
d) laktoza
e) frnktoza.
Potpunom hidrolizom škroba i celuloze nastaje: a) galaktoza
L
.
b) saharoza
a) laktoza
L
11
b) saharoza
c) glukoza
Frnktoza je: b) monosaharid a) produkt razgradnje glukoze d) aromatski ugljikovodik c) važan disaharid Saharozi odgovaraju s ljedeće tvrdnje: a) pokazuje reakcije na aldehide c) naziva se invertni šećer e) izomeruaje s celulozom.
e) aromatski alkohol.
b) spada u monosaharide d) izomema je s maltozom
Glukozi odgovara slj edeća tvrdnja: b) ravninu polarizirane svjetlosti zakreće nalijevo a) sastavni je dio maltoze c) u molekuli ima keto-.skupinu ci) spada u pentoze e) tvori sol i glukozide.
7. Saharoza: a) pokazuje reakciju na aldehide
b) polisaharid je fom1ule (C 6H 100 5) 11
c) građena je od glukoze i galaktoze
d) hidrolizom s kiselinama daje invertni
šećer
e) netoplj ivaje u vodi.
L L
Pozitivan test s Fel1lu1govim reagensom pokazuje: a) aceton h) saharoza c) laktoza d) glukoza
e) škrob.
Koliko je mogućih izomera s molekulskom fomrnlom C 5H 1/ a) I b) 2 c) 3 d) 5
10. Koliko asimetrično supstituiranih atoma ugljika ima u svakom od sljedećih spojeva? a)
H
I-I
H
I
I
I
I
l
I
H-C-C - C - Cl H Cl H
OH CI-I 3
b)
I
I
I
I
H
H
c)
H.C-C - C - CH,OH '
-
CHpH
I
/1- \9H C
CH
l\9H
HOCI
H
1/I
CH I
OH
Kemija u 24 lekcije
227
23. Ugljikohidr-ati
1.L Butan-1-ol ima istu molekulsku fonnulu kao: a) propan- I-o!
b) butanon
c) klorobutan
d) dietil eter.
12. N apiši ime spoja: a)
c)
!.t. Škrob je bijeli amorfni prah koji se u vodi koloidno otapa, a pri zagrijavanju prelazi u ljepljivu masu. a) Što se događa u reakciji s jodom? b) Objas ni. c) Zašto se dodaje razrijeđena sumporna kiselina?
14. Tollensovim reagensom se dokazuje da ispitivani uzorak sadrži: a) masti ili estere b) karboksilne kiseline ili njihove anhidride c) aldehid ili neki reducirajući šećer d) keton ili neki nereducirajući šećer.
15. Saharoza je ugljikohidrat. a) Napiši molekulsku formulu. Je li to reducirajući šećer? b) Kad se njena otopina zakiseli i zagrijava, do koje reakcije dolazi? c) Što je nastali produkt? Kako se to dokazuje? ~ U čaši je pomiješano mlijeko
i 9 %-tni ocat da se mlijeko zgruša. Dobiveni talog je fi ltriran, te je filtratu dodana 10 %-tna otopina NaOH. Lakrnusom je provjereno da je nastala jako lužnata otopina. Dodavan je bakrov(TI) sulfat i zagrijavan sadržaj. Što se može uočiti?
17. Zaokruži netočnu tvrdnju. a) Škrob uz zagrijavanje i jaku kiselinu polako hidrolizira. b) Napredovanjem hidrolize smanjuje se intenzitet plave boje dobivene reakcijom s otopinom joda u kalijevu jodidu zbog smanjenja amiloze u uzorku. c) Otopina škroba reducira Trommerov reagens što je dokaz nastanka glukoze. d) Škrob se sastoji od razgranate amiloze i linearnog amilopektina.
228
Kemija u 24 lekcije
24. lekcija
124. Amini, aminokiseline i proteini IAmini Amini su alkilni derivati amonijaka, bazični spojevi s dušikom. S obzirom na broj ugljikovodičnih skupina vezanih na dušikov atom, možemo razlikovati primarne, sekundarne i tercijarne amine. R---... .•
~NH ili R/NH primarni amini
··/R \R
R,N ili R-N
sekundarni amini
.,
tercijarni amini
CH3CH2- NH2 eti lamin Amini male relativne mase i,mtju neugodan miris sl ičan amonijaku i plinovite su tvari, dok su amini s većom relativnom masom tekuće ili čvrste tvari mirisa pokvarene ribe. Imaju viša vrelišta od alkana slične relativne mase, ali niža vrelišta od alkohola. Oni s manjim brojem C-atoma dobro se otapaju u vodi jer s molekulama vode stvaraju vodikove veze. Kao produkti razgradnje proteina u mesu koje truli nastaju otrovni diamini (koji imaju vrlo neugodan miris) kao što su kadaverin i putrescin. Amini su organske baze pa reagiraju s vodom i kiselinama: CH3NH2 + H20-> CH3NHPH metilamin metilamonijev hidroksid
metilamin
ocet11a kiselina
metil.amonijev acetat (sol)
Mnogi su heterociklički amini (sadrže prsten u kojem najmanje jedan atom nije C) rašireni u prirodi. Metlu njima znač~jni su alkaloidi. Većina alkaloida su otrovni i gorki, a koriste se u medicinske svrhe, ali se i zloupotrebljavaju. Imaju bazična svojstva. Svakodnevno se koriste alkaloidi kafoin i nikotin, a u medicini morfin i kodein. Kafein se nalazi u kavi, čaju i u nekim bezalkoholnim pićima (Coca-Cola). Pobutluje CNS, povećava budnost i djeluje na rad srca. Nikotin se nalazi u lišću duhana. L:iudi ga unose u organizam pušenjem. Otrov11iji je od kafeina. Smrtonosna .količina nikotina u krvi za odraslog čovje ka je 500 mg. Osušeni sok maka, opijum, sadrži niz alkaloida od kojih je n~jviše morfina. Ime je dobio po uspavljujućem djelovanju (rimski bog sna b.io je Morfous). Svi dijelovi maka, uključujući i sjemenke sadrže morfin.
Reakcije amina temelje se na njihovoj bazičnosti (slabe baze - hidroliza u vodenim otopinama!), analogne su reakcijama amonijaka. Svi amini s kiselinama daju soli, a s jakim bazama iz tih soli opet nastaju amini. U reakciji s halogenidima, anhidridima i esterirna karboksilnih kiselina daju amide.
6
NH2
Anilin
230
Kemija u 24 lekcije
i ajegovi derivati reagicaj, 8"pstirucijom " o ip položaj,.
Aminokiseline
IAminokiseline U kemijskom smislu, aminokiseline su molekule koje sadrže aminoskupinu (- 1'·Hi2) i karboksilnu skupinu (- COOH). Njihova glavna biološka uloga je izgradnja. bjelančevina, iako postoje i aminokiseline koje ne ulaze u sastav bjelančevina i nazivaju se neproteinskc aminokiseline. Aminokiseline su prirodni spojevi koji u prirodi rijetko dolaze u slobodnom stanju. Uglavnom su međusobno povezane čin eći makromolekule peptida i proteina. U proteinima se nalazi samo dvadeset vrsta aminokiselina. Sve su one, osim prolina, a-aminokiseline jer su amino i karboksilne grupe vezane za isti. a-atom uglj ika. Osim amino i karboksilne grupe, strukturu aminokiselina određuje i bočn i lanac koji se naziva i ostatak i obilježava se sa R. lako se aminokiselinama mogu dati sustavna imena, npr. Cl-aminooctena kiselina, uobičajeno je da se upotrebljavaju trivijalna imena koja su jednostavnija. R moie biti atom vodika, alkilna skupina, aromatski prsten ili heterociklički prsten. R-skupina predstavlja osnovu 7_,a podjelu aminokiselina: 1. Aminokiseline nepolame R-skupine: alanin, valin, leucin, izoleucin, p rolin, feni lalanin, triptofan, metionin.
2. Aminokiseline polarne R-skupine (-OH, SH, - SONHJ gliein, serin, ITeonin, cistein. tirozin, asparagin. glutamin. 3. Aminokiseline s kiselom R-skupinom (s negativno naelekLriziranim bočnim lancima): asparaginska kiselina i glutaminska kiselina. 4. Aminokiseline s bazičnom R-skupinom (s pozitivno naelcktriziranim bočnim lancima): lizin, arginin, histidin. R O H " N-CI -C// / I " H OH H
Fizikalna svojstva Aminok iscline su najvećim dijelom krislalne čv rsle tvari visokih tališta (od 186 °C za glutamin, do 344 °C za tirozin), toplj ive u vodi, a netopljive u nepolarnim organskim otapalima. Visoka tališta i topljivost u vodi posljedica su njihove amfotcrnosti. Imaju svojstva kiselina i baza jer u istoj molekuli imaju karboksilnu skupina i aminoskupinu. Karboksilna skupina otpušta proton (H+), a am inoskupina ga prima, p a am inoskupina u čv rstom stanju iz molekulskog oblika prelazi u dipolni ion - zwitterion: +
cooI
H N- C- H 3
I
R Tzoelekt ri čna točka je pH vrijednost vodene oto pine karakteri s li čna za pojedinu aminokiselinu pri kojoj je ona posve u obliku dipolarnog iona (zwitteriona). pH je tada najmanja jer je ukupno nenabijena.
Kemija u 24 lekcije
231
~4. Amini, aminokiseline i proteini
Kemij ska svojstva Aminokiseline i1naju jednake reakcije kao one na aminoskupini amina i karboksilnoj skupini karboksilnih kiselina. Ako u R-skupini nalazimo i neke druge fonkcionalne skupine, kao npr. - OH ili - SH, one im daju dodatna kemijska svojstva. Od posebne je važnosti reakcija kojom se molekule aminokiselina međusobno povezuju jer tom reakcijom nastaju za život važni spojevi peptidi i proteini. Aminokiseline se međusobno povezuju peptidnom vezom.
, ~I
BII I
CH.-CH - C- !OI-1 + Hi-N- CH - COOH-> CH -Cf -C-N- CH - COOH I
NH2 alanin
- H,O
2
3
H glicin
2
H peptidna veza dipeptid alanilglicin
Peptidna veza je planama (svi atomi su u istoj ravnini). Po jačini i duljini je između jednostruke i dvostruke kovalentne veze. Rezonantne strukture daju peptidnoj vezi značajke parcijalne dvostruke veze. Biuret reakcija je test-reakcija na spojeve s peptidnom vezom (nastaje crvenoljubičasto obojenje). Prema broju aminokiselina u peptidu, oni mogu biti: dipeptidi (2) te polipeptidi (veći broj aminokiselina, oko 50) i proteini. Raznolikost proteina (ili bjelančevina) je preduvjet biološke raznolikosti. U živom svijetu postoji samo dvadeset različitih aminokiselina, ali se spajaju različitim redoslijedom u mnoštvo raznolikih lanaca proteina. Aminokiseline:
Gly
Ala
oli
H2N - CH-C - OH I
oli HN - CH-C-OH 2
I
Val
Leu
O li
li
H N - CH-C - OH HN-CH-C-OH 2 I 2
CR.,
H
o I
CH -C~
CH2
c~
CH -C~
I
I
I
CH3
Ile li
HN-CH-C - OH 2
.
3
H N - CH-C-OH I
CH2 I
O
HN-CH-C - OH 2 I
c~ I CH2
I
C=O
I
I
OH Kemija u 24 lekcije
Ser
C- OH HNCJ
oli
li
C=O OH
232
o
I
CH3 Glu
oli
I
r
s
oli
Pro
CH2
I
CH3
2
2
CH2
I
oli
H N-CH- C-OH
I
CH2 Asp
I
CH2
CH-CH
Phe
li
H 2N-CH-C - OH
I
I
O
Met
o
8:iN - CH-C-OH I
Thr
oli
H2N - CH-C- OR I
CH2
CH-OH
OH
c~
I
I
· ·· Aminokiseline
Cys
Tyr
o li
HN - CH- C - OH 2
I
Asn
oli
H N - CH-C - OH 2
I
H N -CH - C-OH 2
CH2
CH2
I
Q
SH
C=O I
NH 2
OH Trp
H N-CH - C- OH 2
I
.[ 6
oli
Gln
H N -CH- C-OH 2
I
CII 2 I
CH 2 I
C- 0 I
NH 2
oli Ris Arg oli HN -CH - C-OH 2 I H N - CH- C- OH H N - CH - C- OH 2 I 2 I CH2 I CH2 CH 2
Lys
oli
I
CB2
I
I
oli
oli
CH 2
I
I
CH2
CH2
I
I
CH 2
1'~
CH 2
C=NII
I
N~
L HN
I
I
I
J\~2
NH2
Aminokiseline dokazujemo ninhidrinskom reakcijom koja daje plavoljubičasto obojenje. Aminokiseline u bj elančevinama mogu biti: a) esencijalne aminokiseline koje se ne mogu samostalno obnavljati u organizmu, pa ih moramo unositi pažljivom prehranom. b) neesencijalne aminokiseline koje se mogu u organizmu stvoriti ili iz ugljikohidrata, ili iz esencijalnih aminokiselina. Ribosomi su "tvornice bjelančevina" . U njima se povezuju aminokiseline u polipeptidni lanac molekule bjelančevine. Proteini su dobili ime prema grčkoj rij eči proteios što znači primaran i ukazuje na njihovu važnost u živim bićima. Glavni su izvor tvari za izgradnju mišića, krvi, kože, kose, noktiju i unutarnjih organa, uključujuć i srce i mozak. Razlikujemo primarnu, sekundarnu, tercijarnu i kvartarnu strukturu proteina.
Primarna struktura je polipeptidu (nju
određuj u
određena
vrstom, brojem i redoslijedom aminokiselina u
geni).
Sekundarna struktura ovisi o savijanju i povezivanju lanaca (vodikove veze savijaju jedan lanac u a -heliks, a ako su vodikove veze između dva peptidna lanca, nastaje ~-nabrana pl oča).
Tercijarna struktura je završno savijanje i slaganje u prostoru smotavanjem a-uzvojnice ili ~-nabrane ploče u prostoru. Funkcija proteina proizlazi iz njihove prostorne strukture. Tercijarne strukture učvršćuju interakcije između prostorno približenih boč nih ogranaka aminokiselina i pritom se uspostavljaju: vodikove veze, ionsko privlačenje, disulfidui mostovi, Van der Waalsove sile, hidrofobne interakcije.
Kemija u 24 lekcije
233
24. Amini, aminokiseline i proteini K vartamu strukturu imaju proteini građeni od više polipeptida (npr. hemoglobin je od 4 polipeptidna lanca - dva a i dva ~) koji zauzimaju određeni prostorni raspored. Feritin je protein koji pohranjuje željezo, a izgrađen je većin om od a -uzvojnica: građen
U ~-nabranoj ravnine ploče:
ploči bočni
ogranci aminokiselina nalaze se naizmjence iznad i ispod
~-nabranu ploču stabiliziraju vodikove veze i zmeđu polipeptidnih lanaca. Funkcija peptida: otrovi (otrovi zmija, pčela, gljiva, tvar koja žari u meduza i moruzgva), antibiotici (penici lin), hormoni (inzulin, oksitocin, vazopresin).
IProteini Proteini su mole.kule vezom.
izgrađene
s više od 100 aminokiselina povezanih pcptidnom
Razlikujemo više vrsta proteina:
> strukturni - oblikttju kosti, mišiće, korijenje, listove. ), hom,oni - reguliraju metaboli čke procese u organizmu. > antitijela (imunoglobulini) - su obrambeni proteini. > prijenosne bjelan čevine - prenose druge tvari, npr. hemoglobin prenosi Or ), enzimi - ubrzavaju i kataliziraju kemijske reakcije u organizmu. Prema strukturi proteini se dijele na: librilame (vlaknaste) proteine koji nisu topljivi u vodi i globulame (kuglaste) proteine koji su topljivi u vodi. Proteini su osjetljivi na: povišenje temperature (dolazi do koagulacije ili zgrušnjavanje), kiseline, lužine, droge ... Optimalna temperatura za aktivnost proteina ovisi o vrsti organizma, a kod čovjeka je 37 °C . Enzimi ili biokatalizatori su proteini, nosioci i regulatori svih biokemijskih promjena u stanici, regulatori su metabolizma stanice. Enzimi koji osim proteina inu~ju i neproteinski dio zovu se koenzimi (vitamini B skupine, Q IO i dr.). Vrlo su specifični, djeluju samo na određene mole.kule: lipaze na lipide, amilaze na ugljikohidrate, peptidaze
234
Kemija u 24 lekcije
· Nukleinske kiseline na proteine. Tvar na koju enzimi djeluju zove se supstrat. Djeluju po principu "ključa i brave". Mjesto na enzimu gdje se veže supstrat zove se aktivno mjesto. U ustima djeluje enzim ptijallo, supstrat mu je škrob, a nastaje produkt malloza. U želucu djeluje enzim p epsin koji cijepa proteine. Enzimi su osjetljivi na promjene pH-vrijednosti i tlaka. Oni ubrzavaju kemijske reakcije tako da snižavaju energiju aktivacije, a pritom se ne mijenjaju. Aktivatori povećavaju akLivnost enzima. Inhibitori umanjuju ili blokiraju aktivnost enzima. Prema tipu reakcije koju kataliziraju mogu biti: I. oksidorcduktaze (rcdoks-reakcije) 2. transferaze (prijenos skupina) 3. hidrolaze (cijepanje veze pomoću vode) 4. ligazc (spajanje većih molekula) 5. izomeraze (prijelaz u drugi izomer) ...
I
Nukleinske kiseline
Nukleinske kiseline su složeni polimeri koji pohranjuju i prenose in formacije unutar stanice. Postoje dvije, po g.ratti slične nukleinske kiseline: •
DNA ili deoksiribonukleinska kiselina i
•
RNA ili ribonukleinska kiselina.
1870. g. ih je otkrio Friedricb Micscher, a 1953. g. Watson i Crick su otkrili strukturu molekule DNA (1962. su za to dobili Nobelovu nagradu). Nukleozidi nukleinskih kise lina sastoje se od šećera i purinske ili pirin1idinske baze. Nukleozid esterificiran fosfornom kiselinom se zove nukleotid. Nukleotid je osnovna građevna jedinica nukleinskih kiselina, a služi prijenosu kemijske energije (ATP i GTP). Građa
l. 2.
šećer
nukleotida:
pentoza (riboza, dcoksiriboza)
dušična
baza:
•
purinska (sadrži dva prstena): adenin A i gvanin G,
•
pirimidinska (sadrži jedan prsten): timin T, citozin Ci uraci! U
3. fosfat
N
N
H
o
'/
I-I
H-N:w-N
H N I H~H N~ j H N /N N I-I/ TI I-I o ade nin guanin purinske baze
'
H o,.,H HYo H
H
N
I-l ~ N
I
H
N O
N N I I H H citozin uraci! pirimidinske baze
Kemiia u 24 lekcije
235
- ---=---------
-
24. Arnini, aminokiseline i proteini DNA ima dva polinukleotidna lanca koja su spiralno uvijena jedan oko drugoga (naziva se heliks). Nukleotidi jednog polinukleotidnog lanca su povezani kovalentnom vezom s fosfatom koji se veže na deoksiriboze susjednih nukleotida. Redoslijed komplementarnih parova specifičan je za svaku molekulu DNA. Primama struktura se odnosi na sekvence nukleozida, odnosno baza, jer se oni razlikuju samo po bazama. Ta sekvenca nosi informaciju koja je pohranjena u DNA. Sekundarnu strukturu opisuje način sparivanja baza. Dva lanca su međusobno povezana vodikovim vezama između komplementarnih baza (A-T međusobno uspostavljaju dvije vodikove veze, a G-C tri vodikove veze). Tercijarna strukrura obuhvaća položaj svih atoma u prostoru
d uš ična
baza (A, U, C, G)
H Aw,H v
orracil
1
ffi-i>o(/~ o fosfa~a skupila
tt\~
f!.fh H
(.--€ I
OH
J
I
OH
riboza Replikacija DNA
ribonukleotid
RN A je jedn olančana molekula. yi su tipa RNA s različitim ulogama: glasnička (informacijska) ili mRNA (engl. messenger) - nastaje transkripcijom (prepisivanjem) s DNA, prijenosna ili transportna ili tRNA (engl. transfer) - sadrži antikodon koji je komplementaran kodonu. Ribosomska ili rRNA- zajedno s proteinima izgrađuje ribosome.
236
Kemija u 24 lekcije
24. lekcija: Zadatci
!:._ U vodenu otopinu bjelanjka je dodana dušična kiselina. Nastao je talog zbog koagulacije. Taj talog je zagrijavao i nastalo je žuto obojenje. U ohlađen sadrž~j je dodana velika količina amonijaka i žuta boja je prešla u narančastu. a) Koja je to reakcija?
b) Odakle
potječe
žuta boja?
L
Biuret-reakcija, u kojoj otopinu bjelanjka miješamo s otopinom NaOH uz dodatak razrijeđene otopine bakrova(II) sulfata, daje crvenoljubičasto obojenje. a) Što će se dogoditi ako se doda previše bakrova(ll) sulfata? b) Za što je karakteristična biuret-reakcija?
L
Katalaza pripada peroksidazama i li stanicama razgrađuj e vodi.kov peroksid. Prikaži jednadžbom razgradnju vodikova peroksida s pom oću enzima katalaze.
.!_ Ako zagrijavamo li lužnatoj sredini otopinu proteina do čega dolazi? a) Aminokiseline se razlažu uz izdvajanje fosfata. b) Proteini koji sadrže sumpor daju crni talog s npr. olovnim ionima. c) U epruveti s uzorkom prirodne svile nastaje crni talog jer protein fibrion sadrži sumpor. d) Proteini hidrolizom koaguliraju.
_?.:._ Što neće denaturirati proteine? a) Kiselina.
b) Soli teških metala.
c) Otopina srebrova nitrata.
d) Otopina amonijeva sulfata.
e) Otopina olovovo(IT) acetata.
L
Žuta boja kod ksantoproteinske reakcije prelazi u narančastu nakon dodatka amonijaka. To se događa zbog: a) u lužnatoj otopini se apsorpcijski maks.imum pomiče prema većoj valnoj duljini vidlj ive svjetlosti b) u lužnatoj otopini amonijak reagira sa žutim sastojkom i nastaje novi kompleksni spoj narančaste boje c) taj žuti spoj reducira pod utjecajem amonijaka u talog narančaste boje d) amonijak je samo katalizator za novu reakciju koja daje narančasti talog.
!..:_ Dovrši započetu shemu koja pokazuje ki selo-bazična svojstva aminokiselina:
Kemija u 24 lekcije
237
1111
111 1
1 111 1
11
~ .....:___·: :___--1.l1~·2_4_.~A~m~in~i,~am:i_no_k_is_e~lin_e~i~pr_ot_e~in~i~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~- - Što je točno za DNA?
L
a) Polinukleotidni lanci dvostruke uzvojnice orijentirani su u suprotnom smjern. b) Oba nova lanca se sintetiziraju kontinuirano. c) Enzim helikaza spaja okazakijeve fragm ente. d) DNA-polimeraze drže replikacijske rašlje na lancima DNA.
L
Što nije točno za hemoglobin? a) U središtu porfirinskog prstena je atom željeza u oksidacijskom stanju +II. b) Atom željeza j e u ravnini por firinskog prstena, okružen je s četirima atomima dušika. c) Peto koordinacijsko mjesto zauzima dušik iz histidina. d) Na šesto koordinacijsko mjesto veže se molekula kisika. e) Hemoglobin se sastoji od dva alfa i tri beta lanca i četi,i prostetske skupine.
1O. Struktura izoleucina je:
H,C ~OH
NH2 a) Koliko kiralnih atoma ima ova molekula? b) Koliko ova molekula ima optičkih izomera? ~
Kolika je približna molekulska masa proteina koji je izgrađen od 682 aminokiseline u jednom polipeptidenom lancu?
12. Proteine ne može dokazati: a) ninhidrinska reakcija
b) biuretska reakcija
c) ksantoproteinska reakcija
d) Fehlingova reakcija.
13. U reakciji vodene otopine ninhidrina i otopine bjelanjka zagrijavanjem se pojavljuje intenzivno: a) ljubičasto obojenje
b) žuto obojenje
c) narančasto obojenje
d) crveno
smeđe
obojenje.
14. Kosu gradi protein: a) kolagen
b) mioglobin
c) keratin
d) katalaza.
c) keratin
d) katalaza.
15. Najvažniji protein vezivnog tkiva je: a) ko lagen
238
Kemija u 24 lekcije
b) mioglobin
Rje,šenja zadataka
1.
[ekc1ja
1. a) frakcijska destilacija (različite Tv); b) kristalizacija (ili destilacija); c) ukapljivanje zraka i frakcijska destilacija; d) s pomoću magneta; e) ekstrakcija,
2. Homogena smjesa
bronca
Elementarna tvar
Kemijski spoj
Heterogena smjesa
)(
zlato
)(
led
X
zlatni prsten
)(
bizmut
)(
zlatotopka
X
granit
)(
ocat
)(
šećer
)(
3. d) Tekućina raspršena u plinu (naziv tog koloidnog sustava je aerosoJ), 4. a) dijamant
5. b) Počet će kristalizacija limunske kiseline. 6. e) svi odgovori su točni 7. e) sve je točno 8. b) gorenje magnezija 1 O. c) nemaju stalan niti oblik niti volumen 11. Kemijske promjene: b) i c), fizikalne: a), fizikalne i kemijske: d). 12. b) gorenje magnezijeve trake uz pojavu svjetlosti 13. Smjese: b), c), e), g), h), I); čiste tvari: a), d), t), i), j), k). 14.
MMMMNfMNM 1
)( )(
)( )(
X )(
15. a) filtriranje; b) talog Bje pijesak, filtrat C je vodena otopina KMn04 ; c) A; d) destilacija; e) voda; e) isparavanje i kondenzacija; e) vodu i pijesak.
240
Kemija u 24 lekcije
16. U l 00 g vode pri temperaturi od 20 °C može se otopiti najviše 31 ,6 g KN0 3 • Ako je pri toj temperaturi otopljeno 44 g, tada je takva otopina prezasićena. Ako se temperatura smanjuje, topljivost kalijeva nitrata se sman.i.!!j~.
17. a) Povećava se njegova topljivost, na višoj temperaturi može se otopiti više sumpora. b) Dobit ćemo zasićenu otopinu. c) Postat će nezasićena. 18. c) ekstrakcijom 19. Na dnu je živa, u sredini voda, a na vrhu ulje.
20. a) Dva različita kemijska spoja (XY i X)') i jedna elementarna tvar građena od atoma b) jedan kemijski spoj (XY) i elementarna tvar (X) te atomi elementarne tva1i c) dvije elementarne tvari (X2 i X) 21 . Fizikalne promjene: taljenje, isparavanje; kemijske promjene: kemijske reakcije. 22. Promjena A-C je fizikalna, jer se promijenile samo agregacijsko stanje, dok je promjenaA-B kemijska jer je došlo do kemijske reakcije i nastale su nove tvari. 23. 1- kemijska (nastaju nove tvari) 2- fizikalna (odjeljivanje tih tvari nekom metodom, tvari su ostale iste) 3 - kemijska (molekule su se razgradile na atome) 4- kemijska (nastaju nove tvari reakcijom) 5 - fizikalna (tvar je samo prešla u drugo agregacijsko stanje, u kruto)
24. a)A b)B c)A 25. Cl. Br2 C2. NaCI C3. C0 2 C4. K
26. a) B. kalcijev oksid. b) Reakcijom kalcijeva oksida s vodom oslobađa se toplina koja uzrokuje sublimaciju joda.
27. b) kuhinjska sol i c) voda.
2.
lekc1ja
1. a) Mn([Ar]4s23cf) _ Mn2\[Ar]3a'5)+ 2e-, paramagnetičan b) paramagnetičan c) dijamagnetičan
2. ls2 2s2 2p63s23p6 4s 1, [Ar]4s 1
'
[Đ
L.kFEtJ 3d
4s
. ! _ _ __ _ . _ _ _ _ _ _ _ . _ _ _ _ ,
4p
b) mobilden: ls 22s 22p 6 3s 23p 64s 23d 104p 65s 14d5 c) olovo: ls22s2 2p63s23p64s2 3d104p6 5s24d105p6 6s24/145d1°6p2
3
l=J!___= ·
mu
34
2
6,626·10- kgm s-
1
(9,ll·l0-31 kg)(1,oo-10 6 m/s)
=
_ - iom 7 27 10 '
kombinacijom jednadžbi (E = mc2) i (E = hv) De Broglie je definirao jednadžbu za l . cesttce " . mase m do k se ona krece ' b rzmom . u: b1'lo kOJe
1
/l,
h p = -. h = - h = -,
me
p
A.
Moment gibanja (p) i valna duljina su obrnuto proporcionalni, što znači kraća valna duljina (veće E) fotona ima veći moment gibanja. Kemija .u 24 lekcije
241
Rješenja zadataka
4.
o
8
8
8
l6
C
6
6
6
12
6
12,01
Ca
20
20
20
40
20
40,08
Br
35
35
35
80
45
79,90
Fe.
26
26
26
56
30
55,85
5.
Elektronska konfiguracija
1s22s22p6 3s23p5
ls 22.•..22p63s23p64s23d104p5
Brom
Rubidij
ls 22s22p63s23p64s23d104p65s 1
Rb
_:;7
16,00
-3
7
4
7
5
6. a) ls 22s 1 - ( I) jer mu je 2. ljuska zadnja, u njoj jedan elektron b) I s 22s 2 2p 3 - (5) 2 + 3 = 5 u drug~j ljusci c) ls22.•..22p 63s23p64s23d104p4 - (6) zadnja mu je četvrta ljuska, to su 4s2 i 4p4 d) ls 22s22p63s1 - ( 1) to je jedan elektron u trećoj ljusci, 3s 1
7. Cr: [Ar]4s 13d5, Sb: [Kr]5s 14d105p3, Bi: [Xe]6s2 4/1 4 5d106p3, Fe: [Ar]4s23cf 8. N(p)= 19,N(n)=20, a) ftK h)Z=19 c)N(e) = Z = l9 9. A = 127 A = 127 N 1(n) = 75 N 1(p) = 127 - 75
Nz(n) = 74
52 Nz(p) = 127 - 74 = 53 Nukleoinski broj A= N(p) + N(n). To nisu izotopi već izobari jer imaju različite protonske, a iste nukleonske brojeve. =
1O. d) izoelektronske čestice 11 . d) 4s orbitali 12. c) bromid 13. a)Li b)CI c) Ca 14. d)[Ne]
15. d) 8
16.
Unutarnji ili sržni elektroni
Valentni elektroni
ls 22s22p6 3s1 3p6 ls
2
2s 2p6 1
1s22s22p6 3s23p6
17. a) Kr b)Fe c)Ar d)V e)Mn
242
Kemija u 24 lekcije
4s
1
3d5
3s23p5 4s23cP
Elektroni vanjske I.i uske
3. lekcija
3. lekcija 1.
Jme spoja
Formula spoja
Ukupan broj atoma . u molekuli
sulfitna kiselina
H 2 S03
6
kalijev klorid
KCl
2
_ _!!l 0 4
fosfatna kiselina
8
modra galica
CuS04 ·5Hp
21
nalrijev hidrogenkarbonat
NaHC0 3
6
2. a)IONa b)50 c)3NH3 d)2NaBr 3. a) I atom kisika b) 2 atoma kisika c) 1 molekula kisika d) 2 molekule kisika e) I oksid-ion f) 2 oksid-iona 4. a) Al 3+ = Mg2+ b) Na+< K+ c) Fe2+ > 0 2- d) ci- = Ca2+
5.
Ime spoja
Formula
natrijev sulfit
Ca/P04) 2
željezov(II) karbonat
Alp3
amonijak
(NH4)2S04
bakrov(I) oksid
(NH4 \ C03
Formula
Ime spoja
amonijev karbonat
bakrov(ll) sulfid 6. a) N + 31-1 - , 2NH b) Zn + 2HCI -+ ZnC1 2 + H 2 c) 2Mg + 0 2 -+ 2Mg0 3 2 2 d) H SO4 + 2NaOH -+ Na2S04 + 2Hp 2 7. a) alkalijski metali b) dušikova skupina c) argon d) silicij i genuanij 8. a) C, I-le, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn b) H 2 , N 2 , 0 2 , F2 , C\ 2 , Br2, 12 c) brom d) P4 e) 0 2 f) 12 , S 8 9. a) Li b) S c) Be d) Na+ e) CI 10. Ge, Ci N su u 2., a CI u 3. periodi dok su ostali u 4. periodi pa imaju veći polumjer. U istoj periodi su Br, Se, Ge ali polumjer raste +-- pa germanij ima najveći.
11 . CL Jer energija ionizacije raste -+t. 12. a)C, D b) B,E,F c)X,Y, A d)C,D,B,E,F e)G t)Y,A g)X h)A 13. Li- 3, Na - 1, K - 2, Cs - 4
14. a) I-I b) K c) Sr d) F e
15. d) alaklijski metali Prva energija ionizacije se porastom protonskog broja kroz skupinu smanjuje, a kroz periodu raste. 16. a) Be - C b)Mg - Al c)N - As d)~ - F e)Te-Cl t)Cl - .l
17. c) O Kemija u 24 lekcije
243
Rje~enja zadataka 18. a) polumjer atoma
19. b) K 20. b) C 21. c) S, P, As 22. b)K
23. d) B, Be, Li, Na 24. Tvar T3 je u plinovitom, a tvar T4 u tekućem stanju. 25. a) Atomi kemijskog elementa B. Oni imaju najmanju prvu energiju ionizacije. b) Kemijski elementi Ci D,jer su im prve i druge energije ionizacije slične i značajno manje od trećih energija ionizacije. 26. Sc3+ < Ca2+ < K+ < Ar < CI- < s2- .
27. d), b), e).
o-G
28. a) F i d) Mg2+ C] N 3- _ 29. b) F - fluor. 30. d) bizmut.
4. lekcija Zadatci iz kemijskog računa
1. a) U molekuli je jedan atom ugljika i dva atoma kisika, stoga izraz glasi: M, (COi) = A, (C) + 2A, (O)= 12,01+ 2· 16, 00 = 44,01 b) M(C0 2 )=M,.(COi)gmor1 =44,0lgmor1 c) Masu molekule ćemo dobiti iz izraza m = M, · u : 1
m1 (C0 2 ) = M, (C0 2 )·u= 44,0l · l,6605 ·10-27 = 73,079·10-24
2. M, (Ca3 (P0 4 )i) =3 -A, (Ca)+ 2 · A,. (P) +8·A, (O) = 3 · 40, 08 + 2 · 30,97 + 8 · 16,00 = 310,18 Relativna molekulska masa kalcijeva fosfata je 31 O, 18.
3. ma ( 4°K) = 66,42 · 10-24 g
A (K)= m,,(K) '
U
24
66,42· 10- g l, 6605 · 10-24 g
= 40
4 _ m.-(Br) = A,.(Br)·u = 79, 90 =ll,S.l. m (Li) 0
A,(Li)·u
6,941
Masa atoma broma je 11 ,51 puta veća od mase atoma litija.
5.
m.-(0)=?
A, (X)=m.(X) u
244
Kemija u 24 lekcije
m,, (O)= A,. (O)·u 24
m (O)= 16, 00 · 1,6605 -10-21 g = 26,568 · 10- g 0
m"(O) = A,.(O)·u m" (H) A,. (H)·u
A, (o) = 16, 00 =l 5 87 A,. (H) 1,008 '
Masa atoma kisika je 26,568 · 10-24 g. Atom kisika ima 15,87 puta veću masu od atoma vodika.
6.
mAXY ) (H2 S0 4 ) = '). M, (XY) =---"--.:;___-'u 24 18m (H 2 S04 ) = 18 · M.,. (H 2 S04 ) ·u = 18 -98,076 · l,6605 ·10- g 1 18m
1
24
= 2931,39-10-24 g =2,931· 10- g
M,. (H 2S04 ) = 2 · A,. (H) + A,. (S)+4 · A, (O)= 2· 1,008 + 32,06+4 · 16 = 98,076 m
n= -
M
n(Fe)=? m(Fe 2 (SO)) 25g 3 43 n(Fe(SO)) = = ' =625·10- mol 4 3 2 M(Fe 2 (S0 4 ) 3 ) 399,88g/mol ' 1 formulskajedinka FeiCS0 4) 3 sadrži 2 atoma željeza pa slijedi: n(Fe 2 (S0 4 ) 3 ) : n(Fe)=l :2 n(Fe) = 2 · n(Fe2 (S0 4
t )= 2 · 6,25 ·10- mol = 0,0125mol 3
U 2,5 g željezova(JTT) sulfata ima 0,0125 mola željeza.
8. a) m(NH3 )=0,5g
vo (NH3) ='? N(NH 3 )=? N(H)=?
~
veličinu
n = B = !!_ iz ove jednadžbe izdvojimo poznatu i traženu (znamo NA masu i tražimo volumen, na prvo mjesto stavljamo veličinu koju tražimo) te izvede-
v:l)
V:!)
mo formulu za izračunavanje volumena: 0 m V0 (s lijeve strane treba izračtmati V zato sve množimo s Vm ) V,~= M
V0
m I-V,~ V,,, M V0 m V0 = "~ M(Nr1 3 ) = A, (N)+3· A,{H) =14,1 + 3 · l, 008 = l7,034gmor
- o=-
Vo(NH 3
) = V,~ ·m(NH3 ) M(NH3 )
3
1
1
22,4dm mor ·0,5g =O 658 dm 3 17,034gmor' '
Kemija u 24 lekcije
245
I
Rješenja zadataka b) S pomoću zadane mase na isti
način izračunamo
I ·N
N(NH 3 ) = m(NH 3 ) NA M(NH3)
li
23
N(NH
broj molekula:
1
m(NH 3 )·N,1 = 0,5g·6,022 ·1 0 ~~10J- = 0,! . 1023 77 M(NH. 3 ) 17, 034g mol
) 3
c) Jedna molekula amonijaka sadrži 3 atoma vodika pa je odnos broja molekula amonijaka i vodika: N(H) = 3 . N (NH 3 )=3·0,l 77 · l 02 3 = 0,531 · 102 3 Zadani uzorak amonijaka ima volumen od 0,658 dm 3, a u njemu se nalazi O, 177 · 1023 molekula i 0,53 l · 1023 atoma vodika. 9.
m(CuS04 ·5Hz0)=50g a) M(CuS0 4 ·5H 2 0)=M,. (CuS0,, ·5H2 0)gmot ' = ( Ar ( Cu)+ A, (S)+ 5Ar (O) + lOA, (H ))g111or 1 = ( 63,55 + 32, 06+ 9 · 16 + 10 · 1, 008)g 11101 - 1 = 249,69g mol-' 50g , _ m(CuS0 4 ·5H2 0) b) N (CuS0 4 <>H 2 0)= ( )= =0,2mol M CuS0 4 ·5H 2 0 249,69gmor 1 c) N(CuS0 4 ) = n( CuS0 4 ) • NA Omjer množine modre galice i CuS04 je 1:1 n(CuS0 4 ·5H2 0): n (CuS0 4 ) =I: I n(CuSO. ) = n(CuS0 4 · 5H 2 0 ) = 0,2mol Množinu uvrstimo u početnu fonnulu: N (CuS0 4 ) = n(CuS0.1 ) · NA = 0, 2mol·6,022·10 23 mol- ' = 1,2-1023 d) U modr(~j galici dolazi 5 molekula vode na jednu formulskujedinh.ru CuS04 .
N (H 20) = n(H 2 0) ·N 11 = 1mol· 6,022 · 10 = 6,022 · I 0
n(I-1 2 0): n(CuS0 4 ) =5 : 1 23
1110)-
1
n(HiO)=5·n(CuS04 )= 5. 0, 2 mol= lmol
23
e) Najprije izračunamo množinu vodika i onda uvrstimo u fom1Ulu za broj atoma. n(CuS0 4 · 5H2 0): n(H) =l: 10
(u modroj galicije 10 atoma vodika)
n(H) = lO·n(CuS0 4 ·5Hp)
N(H) = n(H) · N A
= 10·0,2mol
= 2mol · 6, 022 · I 023 11101- 1
= 2 mol
= l, 2 · 10
23
0
10. m(N2 ) =5g,A,.(N) = l4,0I -
a)
246
n(Nz) = ?
Kemija u 24 lekcije
N n=-m,.r =-= -11V0 N' J Y1
j A
m
M( N2 ) = 2 · 14,0lgmol-1 = 28,02gmot1
4. lekcija
J m(NJ n(N,- )= M ( N ) = 2
n(N2
b)Izizraza
5g 28,02gmor
)=;
1
_ = 0.lt8mol
odredimo
N =n·N,1
2
N(Ni)= n(Ni) · N A = O, l78mol · 6,022 · 1023 moi- 1 = 1,072 · 102 3 0
c) Iz izraza n = V 0 odredimo
Vm
V (Ni) =n(Ni)·V,i 0
v0 = n . v0 "'
1
3
=0,l78mol·22,4dm mor = 3,987dni3
U zadanom uzorku množina molekula dušika j e O, 178 mola, broj molekula dušika je 1,072 · 1023 , a volumen dušika je 3,987 dm
3
.
11 . m(Fep 3 ) = 5kg
w(O,Fe/),) =? w(Fe,Fe2 0 3 ) = ? m(O)=? Maseni udio elemenata u spoju se
računa prema izrazu: w( X,XY) = 11„ : , ~X)) XY
w(O Fe O ) = 3 · A,. (O) = 3 · l 6, 00 = 0 301 · lOO = 30,1% 2 3 ' M(Fe2 0 3 ) 159,7 '
M,. (Fe 2 0 3 ) = 2· A,. (Fe )+3· A,. (O) = 2 · 55,85 + 3 · 16,00 = 159, 7 w(Fe,Fe 0 )= 2
3
2 ·A,.(Fe) = 2 ·: 5, 35 =0,699=69,9% M,. (Fep 3 ) l:>9,7
. . . . .. . Prema izrazu za masem ud10 sastoJaka vnJed1 di: w( O) =
m(O)
(
m Fe 20 3
.
w(sastojaka)=
m(sastojaka) .. ( . ) pa shJem smJese
) . Traži se m (O) pa fomrnla izgleda:
m(O) = w(O)· m(Fe2 0 3 )
= 0,301 · 5 kg= l,505 kg
Maseni udio kisika u željezovom(TTI) oksidu je 30, l %, a maseni udio željeza je 69,9 %. Masa kisika u 5 kg Fez°3 je 1,505 kg. _j
12. Prosječnu relativn u atomsln1 masu nekog elementa računamo zbrajajući umnoške masenih udjela i relativne atomske mase svakog izotopa.
A,.(X ) = W, ·Ari+ W2 · Ar2 + W3 · A,3 A, (Ag) =
w( 101 Ag) · A,. (101 Ag)+ w(109Ag) · A, ('09Ag)
= 0,5183 · 106, 9051+0,4817· 108,9048 = 107,868 Relativna atomska masa atoma srebra je 107,868.
Kemija u 24 lekcije
247
Rješenja zadataka
w( +w(
52
13. A, (Cr) =
54
52
Cr)· A,. ( Cr )+
w(
53
Cr) · A,.
(5 Cr )+ w( 3
5
°Cr)· A,. ( 5°Cr )+
54
Cr) · A,. ( Cr)
51, 98 = 0,8379 · 51,941 + 0,095 · 52, 941 + 0, 0435 ·49, 946 + 5 1, 98 = 43,521 +5,029+ 2,17 + 51,98 = 50, 72+
w(
54
Cr) · 53,939
w(5 Cr )·53,939 4
w(5 Cr) · 53,939 4
1,26 = w( Cr) · 53, 939 26 4 Cr) = _1, = 0,0236 = 2,36% )3,939 54
w(5
Iz izraza za relativnu atomsku masu
A, (X)= ma ( X)
odredimo masu atoma.
u
m,,(X) = A, (X)·u m Cr) = A,. ( Cr) · u = 51, 98 · l, 6605 · 10-24 g = 8,631 · l 0-23 g 0
(
Maseni udio 54Cr je 2,36 %, a masa atoma kroma (prosječnog) je 8,631 · 10- 23 g.
14. Mr( C6 H 120 6 ) = 6 · A,. (C) + 12 · A, (H) + 6 · A,. (O) Točan
= 6 · 12,01 + 12 · 1,008 + 6 · 1.6, 00= 180,156 odgovor: d).
15. w(H2 0 , Na 2C03 ·lOHP)=? w ( H 2 0 , Na2 C03 • 10H. 2O) =
lOM, (H 2 0) 10·18,016 % ( )= , . = 0,6295 =62, 95 o M, Na 2C03 • lOH 2 0 286,1 5
M, (H 2 O)= 2 · A,. ( H) + A,. (O) = 2 · l, 008 + 16, 00 = 18, O16
M,. ( Na2C03 . .lOH20) = 2. A,. (Na) + A,. (c) + 3· A, (O)+ 20 · A, (H)+ 10 . A, (o) = 2 · 22,99 + 12, 01 + 3 ·16,00+ 20 · l,008+ 1O· 16,00 = 286,15 Maseni udio vode u kristalnoj sodi je 62,96 %.
16. m(Na)=lOOg N( Na)=?
m N v0 n=-=-= M NA
v;
!!_=.!!!_ l·N . A
NA
J\,f
N = m·NA M 23 1 N(Na) = m(Na)·N,1 =100g·6,022 ·10 mor = , _1023 26 19 M 22,99gmor1 U 100 g natrija je 26,19 · 1023 atoma natrija.
17. m( Cu) = 500g m(CuS0 4 ·5H2 0) = ? n(Cu)=
248
m(Cu) 500g ( )= _ =7,869mol M Cu 63,54gmol 1
Kemija u 24 lekcije
n(Cu): n(CuS04 • 5Hp) = I: I ( u modroj je galici 1 atom bakra pa su omjeri 1: 1) n(Cu) = n(CuS0 4 ·5HP)=7,869mol m(CuS0 4 ·5HP)=n · M=7,869mol·249,683gmoi-' =1 964g Iz 500 g elementarnog bakra može se dobiti 1964 g modre galice. 18. c). Zadatci iz empirijske i molekulske formule spoja
1.
w(N)=0,1648
w(0) = 0,5647
w(Na)=l-0,1648-0,5647=0,2705
M(O) = A,. (O) =16,00 W(Na) W(N) W(O) N (Na): N(N):N(O)= :--:-A,.(Na) A, (N) A, (O)
M(N) = A,.(N) = 14,01
M(Na)= A,. (Na)=22,99
0,2704 . 0,1684. 0,5647 .--.-22,99 14,01 16,00 = 0,0117: 0,0117: 0,0352 /: 0,0117
=-
0,0117. 0,0117. 0,0352 0,0117. 0,0117 0,0117 = 1: 1: 3 Slijedi daje empirijska formula čileanske salitre NaN0 3 .
2.
N(H): N(S): N (O) = W(H): W(S): W{O) A,(H) A, (S) A,. (O) 0,024 . 0,39 . 0,586 1,008 . 32,06. 16,00 = 0,024: 0,012: 0,036 /: 0,012
= 2: I: 3 Slijedi da je empirijska formula spoja H2 S03 . 3.
N(C): N(H) =
w(c) : W(H) = 0, 9226 : 0,0774 = 0,0768: 0,0768 = 1: 1 A,. (C) A, (H) 12,01 1, 008
Empirijska formula spoja je CH. Treba pronaći relativnu masu spoja te empirijske formule. E,(CH)=A,.(C)+A,(H)= 12,01 + 1,008= 13,018. Zadanu M,(spoja) podijelimo s ovom E,(CH) i dobijemo broj kojim pomnožimo empirijsku formulu da dobijemo molekulsku formulu.
M,. (spoja) ---~~--= x E, ( empirijske formule) M, (spoja) E,. {CH)
78,108 = 6 13,018
( empirijska fonnula}. = molekulska formula
(CI-1) 6 = C/16 je molekulska fonnula.
Kemija u 24 lekcije
249
Rješenja zadataka
4.
V( COz) = O,l 12dm3 m(H 2 0) = 0,09g empirijska formula =? Potrebno je odrediti broj jedinki ovih spojeva. Iz tog podatka postavljanjem u omjer treba odrediti broj jedinki atoma C, odnosno vodika. V(CO2) - N(CO,) - N(C)
}
m(Hp)- N(HP) - N(H)
.
-
... empmJska formula
vo
. . . d d vb m N K onstnno Je na z u n = - = - = - 0 A1 N A v;/1
•
Budući da za C0 2 imamo zadani volumen, a traži se broj jedinki, uzimamo taj odnos.
N N
V
0
-= A
vo
l·N
v 0 -N
A
m
=> N = --vo-A m
0
3
23
1
N(COz)= V (C02) · NA = 0,112dm -6,022·10 mor =0.0301-1023 = 3,01·1021 V,~ 22,4dnt3mol- 1 Za računanje broja jedinki vode uzimamo odnos ma.se i broja jedinki -
N
NA
m M
=-
N(HzO) =
=> N'= -m· -'N'_A
l·N A
M'
-
m(H2 0)· N ,1 1\i!(Hp)
23
1
= 0,09g·6,022 ·10 ~noi- =0, 0301 . 102.1 18,016gmol-
= 3, 01 _102 1
Sada računamo broj pojedinih atoma u spojevima. Ugljik računamo iz CO.,, a vodik ~I--120. N(C): N (C0 2) = 1: 1 N(C): N(C0 2) = 3,01 · 1021
(u molekuli C0 2 je 1 atom uglj ika paje omjer I: 1)
N(H) :N(Hp) = 2 : 1 N(H) = 2 · N(Hp) N(H) =6,02 · 1021
(u molekuli vode su 2 atoma vodika paje omjer 2 : 1)
Sada postavljamo u omjer broj atoma ugljika i vodika i dobijemo omjer za empirijsku formulu.
r
N(C) : N(I-1)=3,01 · 1021 : 6,02 · 1021
N(C) :N(H) = 1 :2 Empirijska formula spoja je CH
2
5.
w(C)=85,7% = 0,857 M, (spoja) = 84
w(H) =1-0, 857 = 0,143 A,. (C) = 12,01
Ar{H) = 1,008 250
Kemija u 24 lekcije
.
/ :
3,01 · 1021
(dijelimo s manjim brojem)
4. lekcija
N(C): N(H)= w(c): W(H) = 0,857: 0,143 A, (C) A, (H) 12,01 1.008
=0,07: O, 14
/: 0, 07
(dijelimo s manjim brojem)
= I: 2 Empirijska formula j e CJ\. Tražimo E, empirijske formule, dijelimo ga s M,(spoja) da dobijemo x s pomoću kojeg izračunamo molekulsku formulu prema izrazu (emp. fonnula)x = molekulska fonn ula.
E,. (CH 2 )= A, (C)+ 2· A, (H) =12,0 l + 2·1.008 = 14,026 M, (spoja) = ~ = 6 E, (CH) 14,026 ( CH 2
t =C H 6
12
Molekulska formula je C6H 12 .
6.
, . m(B) . m(O) . m(HzO) nlN,1!. nlBI .. nJOJ.. nJH,OJ -_ Mm(Na) (Na ) .. -(-) .-(-) . ( ). · MB M O M H 0 2
12.lg . 11, 4g . 29,4g . 47,lg =~~ -=---- - ~ ----'=' - 22,93 g/mol · 10,8 lg/mol · 15,93g/mol · 18g/mol
=0,526mol: 1,054mol : l,838mol: 2, 6 16mol = l:2:3,5:5
/ : 0,526
/ ·2
= 2: 4 : 7: 10 I ·2 Formula spoja je Na 2B 40 7 • 10H20 .
Zadatci Iz stehiometrije kemijskih reakcija
1. 4 FeS2 (gl + 1102 (g) --+ 2 Fe20 3 (s) + 8S02 (g) m(FeS 2 )= 150 g m(Fc20 3 )= ? Izračunamo množinu poznatog spoja pa je postavimo u omjer s množinom nepoznatog spoja (to su njihovi stehiometrijski koeficijenti u reakciji - brojevi označeni narančastom bojom). n(FeSz)= m(FeS 2 ) M (P-cSi)
150g 120,05 g mol- 1
~
n(F~
~
1.2491110!
4 · n(Fe2S,) = 2 · n(FeS 2 ) , ) 211(FeS2 ) n ( Fe2S. = , 4
n(FeS 2 ) =~ -~ 2
- 1,249 11101 -_ O, 624-) mo l n (f e2S , •) , 2 Budući
da znamo n(Fe20 3 ), iz tog podatka
izračunamo
masu.
Kem;ja u 24 lekcije
251
n=:
~
m(Fe2 0 3)=n·M = 0,6245mol-159,7gmor1 = 99,73g
Gorenjem 150 g pirita nastat će 99,73 g Fe 20 3. 2.
2Mg (s)+ 10 2 (g)~ 2 Mg0 (s) n(Mg) =
m(Mg) m(O)
n(o2 )
6g = O 247mol 24,3gmo1-1 '
M(Mg) M(0 2 )
2g - - ~, = 0,063mol 32gmor
Iz jednadžbe vidimo da 2 mola Mg reagira s I molom 0 2 pa znači da 0,247 mola Mg reagira s 0,124 mola kisika. Kako imamo samo 0,063 mola kisika, on je mjerodavni reaktant (ima ga manje nego što treba za reakciju cijelog magnezija). Za reakciju s 0,063 mola kisika utrošeno je 0,063 · 2 = O, 126 mola Mg, pa vidimo da p'"oš'toji višakM g. · -- · · Od ukupne količine Mg oduzmemo ovu količinu koja je reagirala i dobijemo suvišak. 0,247 mol - O, 126 mol= 0,121 mol. Količinu
nastalog produkta određuje mjerodavni reaktant (0 2). ~ n(MgO)= 2 · n(0 2 )= 2·0, 063mol= 0,126mol
n( 0 2 ) : n(MgO) = 1 : 2
m(MgO)=n(MgO)· M(MgO) = 1,126mol · 40, 3gmor 1 = 5, 708g
U ovoj reakciji je mjerodavni reaktant kisik, u suvišku je O, 121 mol Mg, a nastalo je 5,078 g magnezijeva oksida.
3. l CaCl2 (•s)+AgN0 3 (•g)~ 2 AgCl(s)+Ca(N03)2
(•s}
m(AgCl) = 10g m(CaC1 2 ) = ? m(AgCl) M(AgCl)
n(AgC)=
10g =0 0698mol 143,35g mo1- 1 '
n(CaCl 2 ) : n(AgCI) = J : 2 m(CaCl2 )
~
n(CaCli) = n(AgCI)
2 2
3Mg (s/ l N 2 (g)~ 1Mg3N2
•
(s)
m(Mg3N2 )=50g V(N2 )=? Najprije izračunamo množinu spoja kojemu je poznata masa. m(Mg 3 N 2 ) 50g n(Mg 3N 2 )= ( )= =0,495mol . M Mg 3 N 2 100,95g mol- 1
252
2
= n(CaCl2) · M(CaCl 2 ) = 0,0349mol-110,98gmor'
Ovom reakcijom nastaje 3,87 g CaCl 4.
0,0698 mol 0, 0349mol
Kemija u 24 lekcije
= 3,87 g
Postavimo u omjer množine dušika i magnezijeva nitrida. Prema jednadžbi vidimo da je stehiometrijski koeficijent za oba spoja 1 pa slijedi: n( N 2 ) :n(Mg3 N 2 )=1 : 1 => n(N 2 )=n(Mg3 N 2 ) n(Ni)= 0,495mol
V
0
vo vo
n=.m
(N2 ) = n(N 2 )· v;~ = 0, 495mol · 22,4dm3 mor' =ll,088dm 3
Za nastajanje 50 g magnezijeva nitrida potrebno je 11,088 dm3 dušika. 5.
Ca ( OH 2 ) (•s/ C0 2 (g)""~ CaC03 + Hp (i) a) m(ca(OH)z)=50g n(ca(OH), )=~ = SOg = 0,674 mol 1 M 74,096gmor V(C0 2 ) = n(C0 2 ) ·
v;; = 0,674mol ·22,4dm
3
mol-1 = 15,0976dmJ 1
b) N(C0 2 ) = n· N,, = 0,674mol ·6,022 · 102 3 mor = 4,05 · 10
23
6. 2Np 5 (g) -+ 4N02 (g> + 0 2 (s> 7 . Reakcija: Mg+ H 2S04 -+ MgSO4+ H2 m(Mg)=7,29g; m(H2S04 ) =29,4g
8. Reakcija:3Si02 + 4Al-+3Si + 2Alp3 , m= 337,25g 9. Vodik je mjerodavan. N2 (g) + 3H2 (g) -+ 2NH3 (g)
10. m(CaO)= 140g. V(C02 )=56 L
5. lekcija 1. Postoje tri faze: plinoviti dušik s vodenim parama i amonijakom, i dvije tekuće faze; vodena otopina amonijaka i ulje koje se ne miješa s vodom.
2. a) Polarizabilnija. Ako u tvari djeluju samo Londonove disperzijske sile medu molekulama, tada tvari nisu ionski spojevi, niti imaju stalni dipolni moment. Točan odgovor je pod a) jer disperzijske sile ovise o polarizabilnosti molekula. 3. Najsnažnija je vodikova veza.
4 . d) Dipol-dipolna. U Lewisovoj strukturi PH3' fosfor ima tri P- H veze i slobodan elektronski par. Zbog toga molekula ima dipolni moment pa je najsnažnija sila dipol-dipolna sila. Fosfor ima premalenu elektronegativnost da bi se stvarale snažnije vodikove veze. 5. a) To je kovalentan spoj, pa nema ion- ionskih sila. Nema vodika pa nisu moguće vodikove veze. U Lewisovoj strukturi, fosfor je središnji atom povezan s trima kloroKemija u 24 lekcije
253
Rješenja zadataka vim atom.ima. P spada u 15. skupinu pa ima pet valentnih elektrona, tri u zajedničkim elektronskim parovima i jedan slobodni elektronski par. Molekula ima izgled trigonske piramide paje polarna. Prema tome djeluju dipol-dipolne sile.
b) To je ionski spoj kovinskog iona Ni2+ i. nekovinskog ci-. Djeluju ion-ionske sile. c) To je kovalentan spoj. Svi atomi pripadaju istom elementu pa je spoj nepolaran. Prema tome djeluju jedino Londonove (ili disperzijske) sile. d) To je kov alentan spoj . H je vezan na F jer u molekuli ne postoje drugi atomi! Budući da je fluor jedan od tri najelektronegativnija atoma (F, O, N), u spoju djeluju vodikove veze. e) To je kovalentan spoj s H vezanim na CL To je linearna, polarna molekula, djeluju dipol- dipolne sile. Vodikove veze su slabije jer je CI mar* elektrooegativan od F. t) To je kovalentan spoj s H i O atomima vezanim na C-atom. Budući da vodikovi atomi nisu vezani s kisikovim, ne postoje vodikove veze. Međutim molekula je polarna pa djeluju dipol-dipolne sile. g) To je kovalentan spoj, oksokiselina. U njoj su vodikovi atomi vezani na kisikove pa u spoju djeluju vodikove veze. h) To je kovalentan spoj. Bor je element 13. skupine, ima tri valentna elektrona, te s tri fluorova atoma ne postiže oktet (6 elektrona u zajedničkim elektronskim parovima) jer nema slobodni elektronski par. Geometrija mu je planamo trigonalna zbog sp2 hibridizacijc. Djeluju samo disperzijske (ili Londonove) sile. 6. Sve tvari osim SC12 su nepolame. SC12 ima 2 slobodna eleklronska para na središnjem atomu sumpora. Molekula je savijene geometrije pa je polarna. Zbog toga u spoju djeluju dipol-dipolne sile, tj. najjače međumolekulske sile. Poredak ostalih se temelji na masi molekula, odnosno na broju elektrona i polarizabilnosti molekula. Mase molekula izražene s u jesu: CJ 2 == 70,91 , CH4 == 16,05, BF3 = 67,81 i C02 = 44,01 paje poredak sljedeći: SC12 > Cl2 > BF3 > C02 > CH4•
7. Porastom razlike elektronegativnosti atoma u vezi raste i polarnost promatrane veze. Prema tabličnim podatcima izračuna se razlika u elekt ronegativnostima za zadane primjere veza: H-H ~ 2, 1 - 2, I = O ~ čista kovalentna veza, što se i očekuje za kovalentnu vezu između istovrsnih atoma, te posljedično nepolarna; 0 - H ~ 3,5 - 2,1 = 1,4 ~ kovalentna veza, polarna; Cl-H ~ 3,0 - 2,1 = 0,9 ~ kovalentna veza, polarna; S-H ~ 2,5 - 2,1 = 0,4 ~ kovalentna veza, polarna; F- H =? 4,0 - 2,1 = 1,9 ~ kovalentna veza, polarna. Prema izračunanom, redoslijed bi bio sljedeći : H-H < S-H < CI- H < 0 - H < F-H. 8. a) Radijus atoma se povećava u skupini prema dolje, dakle F < CI < Br. Duljina veze: S- Br > S- CI> S- F; jačina veze: S-F >S-CI> S-Br. b) Red veze slijedi: C =O > C =O> C- 0. Duljina veze: C-0 > C = O> C = O; jačina veze: C =O> C =O> C-0. 9. e) Sve je navedeno točno.
10. a) CS 2, H 20, C02, NH 3, CHCl3 11 . c) N 2 12. a) l
254
Kemija u 24 lekcije
S. lekcija
13. a) Parcijalne naboje.
b) Da.
c) Da.
d) CC1 4 •
14. S0 2 . 15. d) Električna vodljivost poluvodiča može se povećati dodavanjem nečistoća. 16. a) Ionski: KCI, AlCL, ~ , Fe?O,, - ., Ca~;b) kovalentni: Hl0 4 , Hp2 , BeCl2 , Si02, BCl3 ; c) ionski i kovalentni: AIP0 4 , CaS04 , KCl0 3 , MgC03' NH4Cl, Na2C03 .
17. a) Li20,
b) SrS,
c) CsBr,
d)MgF2
t :>'.;:\Mg 0+:~: ---t
[f.f + Mg •+ [:f.f ---t 2
MgF2
Mg2 + + 2e-
Mg -
t
•
F2 + 2e- -
2F
Mg +F2 -
Mg2+ +2F-MgF2
18. NaH, H2S, AsH3, LiH, CaH2 , HCL U metalnim je hidridima veza s vodikom ionska, a u nemetalnim kovalentna. 19. c) X 4 +. 20. a) W·
ct) s2-,
b) Fe 2+·
d) r-, b) p3-, 21. a) Na, 22. d) Jaka međumolekulska veza.
:O
23.
:O:
H
li
H
H -g:
24. H 3CO- H--·:O(H)CH3
25. a)
t) Cr3+.
c) Se2- .
H
.. li I :O=P-0: I I ..
I :O=S-0: I .. ..
e) N 3 - ,
Na~+ ·O: -- -. Na>--,y•
:g - H
H -7N-H-··:NK.,
['· ]2--.
2Na• + :o: •.
Na2O
AJ7• č5:
b)
·~
·
.~ 9= - 2A1 ++3[:Q:r _. AIP3 3
Al·-----,._ ••
.'----.:.;,.9 :
c)
Ca:7'--...,-' ·0: -.
Ca2+ +
2
[:o:] .. - -+
CaO
26. Molekula N je simetrična, a molekula CO ima trajni dipol. 2
27. Vodikova veza i Van der Waalsove sile.
28. Hp > H2Te > H2Se > H2S. 29. NaCl < KCl < MgO.
Kemija u 24 lekcije
255
1. a =0,353 nm p(Li)=? Broj atoma u vol um.no centriranoj kocki je N = 8 · 1/8 + l = 2. Budući da je gustoća omjer mase i volumena, treba izračunati masu litija i volumen. Masu računamo po formuli m=N· A; u gdje je N broj atoma koji pripada određenoj ćeliji. Volumen kocke je a3 .
m=N·A,.·u
m(Li) = 2 · A, (Li) ·u= 2 · 6,941 · 1, 6605 ·10-24 g = 2,304 -1 0-23 g lnm 3 = 10-21 cm3 3
V = a =(0, 353nm)3 = 0,04399nm 3 =4,399· 10-23 cm 3
p
( Li)- m(Li) - V(Li) 2,304 · I 0-23 g 4,399 · 10-23 cm 3
0,524g/cm3
2. a) a =0,405 nm p(AI) =?
N=4 m= N·A, ·u =N·ma·
m(Al) = 4. 26,98 · l,6605.] 0-24 g = 179,2 · 10-24 g = 1,792 -10-22 g V= a p
3
=(0,405nm )3 = 0,066mu 3 = 0,066· 10-2 1 cm3 = 0,66· 10-22 cm 3
(Al) = m( AI) = V ( A!)
1,792 -10-22 g 0,66 .10-22 cm3
=2 7 '
/ cm} g
b) To je laici metal jer mu je gustoća manja od 5 g/cm3.
3. a=0,362nm p(Cu)=8,96g/cm 3 N(Cu) = ? Budući daje N za volumno centriranu ćeliju N=2, a za plošno centriranu N=4 treba-
mo odrediti N bakra. lz toga ćemo vidjeti u kojoj ćeliji kristalizira.
V( Cu) = a 3 = ( 0,362nm )3 = 0,047 -10-21 cm3 m(Cu) = p(Cu )·V= 8,96 g/cm 3 ·4,74·10-23 cm 3 = 42,47 · l0-23 g=4,247 .10-22 g N n=N ~ A
256
Kemija u 24 lekcije
m
N= n ·NA ~ N= M ·NA
23
23 N(Cu)= m(Cu) ·NA = 4 , 247 ·I0- g·6,022·10mor1 =4,03 M(Cu) 63,54gmor1
Bakar kristalizira u obliku plošno centrirane kocke jer mu je N =4. 4. a=0,392nm
p(Pt) = 21,4g/cm3 l nm 3 = 10-21 cm3 V= a 3 = (0,393)3 = 0,0602nm 3 =0,0602 ·10-21 cm 3 m(elem. ćelije) =p(Pt)· V(elem. ćelije) =21,4 g/cm3 ·0,0602· 10- 21 cm3 =l,29· 10-23 g To je masa svih atoma u ćeliji . Treba nam masa 1 atoma: m(Pt) = A, (Pt} u= 195,1 · 1,66 · 10-24 g = 3,239 .10-22 g
N (atoma)= m (elem. ćelije) = 1. 29 · 10- g = 3 98 = 4 m(X) 3,239·10-22 g ' 22
N=4 paje to plošno centrirana kubična slagalina. 5. e) C 10H22. 6. c) metalna veza. 7. To je: b) plošna. Broj atoma u toj elementarnoj ćeliji je: c) 4. Koordinacijski broj je: d) 12. Polumjer atoma je: d) d/2. 8. a) to je ionski kristal, b) u kristalnom stanju nije vodič, d) talište ovisi o tlaku i temperaturi. 9. A, (A)= 195,3. 10. Gustoća= 8,935 g/cm3, r(Cu)= 127,8 pm. 11 . r(Na) = l85pm. 12. Pokretljivi oblak elektrona prati pomicanje atoma u kristalnoj strukturi kovine, tako da nema odbojnih sila među česticama, kao što se događa kod ionskih spojeva. 13. a) kruta tvar visokog tališta, koja provodi el. struju u rastaljenom obliku
b) kruta tvar, koja se može kovati i koja provodi el. struju u krutom i rastaljenom obliku c) kruta, relativno mekana tvar niska tališta, koja ne provodi el. struju niti u krutom ni u rastaljenom obliku d) kruta, vrlo tvrda tvar visoka tališta, dobar izolator el. struje. 14. Mjed je: b) kruta otopina cinka u bakm. 15. Krte su one slitine (legure) u kojima se pojavljuju jake kovalentne veze.
16. a) elementarni jod,
b) MgO,
c) Cu,
d) Cu, KCI, MgO.
17. Magnezijev oksid (MgO) ima više vrelište, jer je radijus iona (Mg2+) manji od radijusa iona (Ba2+), pa su ioni u stnikturi magnezijeva oksida bliže nego u barijevom oksidu.
Kemija u 24 lekcije
257
:
,I
Rješenja ;zadataka
18. a) SnO,
b) AlC~, c) BeF2, d) PbS, e) SnS . 19. r(K) = 227 pm = 227 ·l0- 10 cm = 2.27. J0-8 cm
N =2 p='? P
m(K) =
V(K)
129,8·10-24 g g/ , = 09 acm· ' 144, 7·10- 24 cm 3
m(K)=N · A,. (K)·u 24
= 2. 39, J. J,6605 · 10- g
d=4 ·r=a·Ji =a · l, 73 4r = a· 1, 73 4,r
= 129,8 .10-24 g
s
a =- = 5 25· 10_ g l, 73
'
V = a 3 = 144, 7 · l0-24 cm 3 .
1 . Izračunajmo najprije promjenu temperature:
= 12 °C = 12 K topline Q je tada: Q = m · c · !::,.T= 5,5 g ·12 K · 0,450 J K - 1g- 1 = 29,7 J. !::,.T= 37 °C - 25 °C
Ko ličina
2. !::,.H = Hp - Hr r !::,.rH = Iv !::,.jip - I v !::,/. l .. b.,H = 2 · !::,.ji(MgO, s) - [2 · !::,./f(Mg, s) + l · t::,._/1(0 2, g)] 11„H = 2 · (- 601,83 kJ/mol) - [ 2 · O kJ/11101 + l · O kJ/mol ] t:,.,fl = -1203,7 kJ/mol Budući da je t::,.,.H < O, reakcija je egzotemma. H
Mg " + O, w ),___ 2M _gO----"' <,)_
3. t::,.1H = (PbO,s) = -217,9 kJ/mol !::,.ji= (CO, g) = -.1.1 0,5 kJ/mol !::,.ji = (C,s) = O elementarna tvar !::,.ji= (Pb,s) = O elementarna tvar !::,.,.H = Iv !::,.jip - Iv C!.1Hr C!.,.H = (!::,./f(Pb,s) + C!./ i(CO,g))- [t::,.1H(Pb0,s) + C!./-l(C,s)] 6„H= [ O+ (- 110,5 k.T/mol)]- [-217,9 kJ/mol + O] C!., H = 107,4 kJ/mol Reakcija je endotennna !::,., f-1 > O.
258
Kemija u 24 lekcije
7. lekcija
4.
Prema Hesovu zakonu prvu 2 y€r2 (g} + tJ1'.) (I) jednadžbu ćemo napisati obrnuto jer je etin u traženoj re- C2H2 (g} + 5/ ~ (g} akciji produkt, a ne reaktant. Promijenit će se i predznak !J.cH koji će sada biti+.
6.cH = 1299 ,6 kJ/mol
Drugu jednadžbu ćemo pomnožiti s 2 jer nam treba 2C. !J.cH ćemo također množiti sa 2. Predznak ostaje isti jer nismo mijenjali strnne.
!J.cH = -787,0 kJ/mol
Treću
prepisujemo.
2C(s) + }~ (g) _. 2y€r2 (g)
H
''2(g)
+ 1f'>,.=2(g) I?.("' _ . u-" !J.cH = -286,0 kJ/mol . ',Yz'-' (I)
Jednadžbe zbrojimo tako da 2C(sl + H 2 (g) -> C 2H 2 (g) zbrojimo lijeve strane i zasebno zbrojimo desne strane. Jste tvari sa suprotnih strana skratimo (npr. 2C02 lijevo s 2C02 desne strane, pogledaj crte kojima su prekrižene). Odredimo tlrH zbrajanjem !J.rH svih koraka. 6.,.H = 1299,6 kJ/mol + (-'787,0 kJ/mol) + (- 286,0 kJ/mol) = 226,6 kJ/mol.
5. m (CaC 2)
=
3 kg = 3000 g
Q=? CaO <•l + 3C <•l -> CaC2 <•l + CO (gl
n(x)
Tzraz iz kojeg računamo toplinu: Q = 6.H; ~ = tl,H ·- ( · ) V X
Najprije treba izračunati množinu CaC2, pa 6.,fl. v(x) je stehiometrijski koeficijent u reakciji za CaC2.
3
n(CaC?) = ~= 000g M 64,1 gmor1
46,8mol
ll,H = Iv !).1H P - Iv !J.,H, tl,H = [ 1 · 6./f (CaC 2,s) + I · !J./f(CO,g)] - [ 1 · 6.1 H(Ca0,s) + 3 · 6.1 H (C,s)] !J.,H = [ -59,4 kJ/mol + ( -J.l0,5 kJ/mol ]-[-635,5 kJ/mol +3 · O kJ/mol] 6.,.H = - 169,9 kJ/mol + 635,5 k.1/mol IJ.,H = 465,6 kJ/mol 46 8 6.H =D. H . n(CaC 2 ) =465 6kJ/mol· • mol = 21790kJ r v(CaC2 ) I ' Za proizvodnju 3 kg CaC2 utroši se 21 790 kJ topline.
Kemija u 24 lekcije
259
6. a) CaC03 (s) ---+ CaO(s) + C02 (g)
l:l,H = 178, 1 kJ/mol
b) l:lji(CaO,s) = - 635,5 kJ/mol l:lji(C02 ,g) = - 393,5 kJ/mol l:lji(CaC03,s) =?
l:l,H =
Iv l:lji P - Iv l:lji r
t:.,H =
[t:.ji(CaO,s) + tlji(C02 ,g)] - [t:.j1(CaC03's)] 178,1 kJ/mol = [- 635,5 kJ/mol + (-393,5 kJ/mol)] - [t:.fH(CaC03,s)] [t:.j1(CaC03,s)] = 107,4 kJ/mol
7.
a) toplina se proizvela (napisana je na strani produkata) dakle, t:.H < O i reakcija je egzotermna. ::r::
I H,- (g) +-O 2 2(g)
.:i
i~
(reaktanti) !:lH = - 285,8 kJ
H 20 v> _......,......, _ _ (produkti)
(a)
b) toplina je napisana na strani reaktanata (dovodili smo je u reakciju), dakle, 6.H> O, reakcija j e endotermna. H,O ~
H20 m
~pmd,kH)
I ~· ...-_,, ..
(b) - - - - - - --
(reaktanti)
8. a) Fotosinteza. 9. +62,4 kJ/mol. 10. Q = -1780,4 kJ (oslobođena toplina ima predznak - ) CH4 (g) + 202 (g) -
co2(g)
+ 2Hp(g)
11. CaO (s}+ H 2 0 (I}---+ Ca(OH\ (s) t:.H= - 1,2 · 103 kJ 12. m (AI)= 32,2 g
13. Q = Ql +Q2+ Q3
Q1 = m ·c· !:lT = lOOOg· 2Jg- 1 K- 1 ·lOK = 0, 2· 105 J Q2 =m·.!:lfH(N2 )= 1000g·200Jg- 1 =2·10 5 J
Q3 = m ·C ·!:lT = 1000g · lJ g- 1 K- 1 • 216K = 2, 16- I0 5 J Q=436000J
14. !:l1H(C02 )=-393,5kJ/mol
260
l
t11H (HP)=-241,8 kJ/mol
""";;a, 24 kakcij,
?. lekcija
6 ,H =[61 H(C02 ) +2·6 1H(H 20)]-[6 1H(CHpH) +f ·61 H(0 2 )] - 638,5 kJ/mol =[-393, 5 kJ/mol+ 2· [- 241,8 kJ/moil] - [x+O kJ/mol] X
= -238,6
6 1H(CHPH) =-238,6 kJ/mol
15. a) 2Fep3 -t 4Fe c,i+ 302 (li) 6,H = 1644,4 kJ/mol
6 1 H (Fe) =?
=[4·6 1H(Fe) +3 ·61H(0
6 ,H
2 )]-[
2-6 1 H(Fep
3 )]
6 1 H ( Fez0 3 ) =-822, 2 kJ/mol b) E
4Fe + 302
c) fl,H > O, endotennna reakcija d)
m(Fe) = 800g N( Fez0 3 )=? V(0 2 )=? n(Fe)= m(Fe) M (Fe) m
N
V0
H
NA
v.?
300g = 14,32mol 55,85g/mol
n=-=- =.!!._= !!!... H
NA
l ·N A
N = m·N,1
M 23
N ( Fe) = 800 g· 6,022 -10 ipar 55,85.f1!Jlo1'
1
N(Fe) = 86,26· 1023 n(~
3 4n(0 2 ) = 3n (Fe) _3n(Fe)_3 ·14,32mo! _ n (o i ) - - 4- 4 - 1074 . mo1
vo
v:
n=-
v Oi) = n · v: = l O, 74 mol· 22.4dm mol- = 240,3dm 0(
3
1
3
Kemija u 24 lekcije
261
reaktanti
AH produkti
produkti
AH
reaktanti
17. a) zagrijavanje vode do vrenja Q= Ql + Q2 + Q3 Q1 =: m · c„ AT == 250 g · 4,18 JK- 1g- 1 • (100° - 15°) K = 88 825 J = 88,825 kJ b) prijelaz vode u vodenu paru pri temperaturi vrenja Q2 = m · A fH (H 20) = 250 g · 2,26 · 103 Jg-1 = 565 · 103 J = 565 kJ (Kad je toplina isparavanja izražena u jedinicama Jmoi- 1 tada umjesto mase mora se uvrstiti množina tvari.) c) zagrijavanje vodene pare
Q3 = m · c · AT= 250 g ·2,03 JK-1g- 1 • 8 K = 4060 J = 4,06 kJ Q = Ql + Q2 + Q3 : 657,9 kJ
1. y (KN03 ) == 11 Og/L V(otopine) = 150ml == 0,150 L m(K.N0 3 ) =? y(A) == m(A) ==> izraz za masenu kocetraciju pa slijedi =:> m( A) = y(A) · v;,,
vo,
m(KN03) = y(KN0 3) · V01 == 110 g/L · 0,15 L = 16,5 g Za pripravu ove otopine potrebno je 16,5 g kalijeva n itrata.
2. V( otopine) = l dm3 c(NaCI) = 0,2 mol/dm 3 m(NaCI) == ?
c(,4) = n(A)
v;,t
lz fornmle za množinsku koncentraciju izračunamo množinu natrijeva klorida. Masu nađemo prema izrazu m = n · M n(A) = c (A) · VOI == 0,2 mol/ dm 3 • l drn3 = 0,2 mol
262
Kemija u 24 lekcije
.8. lekcija
1
m(NaCl) => m(NaCl) = n(NaCI) · M(NaCl) = 0,2 mol· 58,44 gmoi- = 11,688 g M(NaCl) Za pripremu I dm3 ove otopine potrebno je 11 ,688 g NaCl. n(NaCl)
3. w(KBr) = 19 % = 0 ,19 m(Hp) = 200g m(KBr)= ? w(KBr)
m (KBr) M(otopine)
w(KBr) =
m (KBr) => m(KBr) =X m (KBr) + m (HP)
m (otopine)= m (KBr) + m (Hp)
X
w
X+200
0,19= X :200
I ·(X + 200)
0,19·(X +200)=X 38= X -O,l9X 38 X= =46 91 0, 81 ' m (KBr) 46, 91 g
=
Ova otopina sadrži 46,91g KBr.
4 . V(smjese) = 20 L cp(CI\) = 0,82 cp(C H ) = 1- 0,82 =0,18 Ger zbroj volumnih udjela kmnponenata treba biti l ili 100 %) 3 8
V(C3 H8) = ? cp(C)-1. ) V(C 3_H~) => V(C H
)
3 8 V(smJese) Volumen propana u smjesi je 3,6 L. 8
= cp(C, H 8) · V(smjese) == O, 18 · 20 L = 3,6 L ~
p 6 ) '"' 0,25
5. x(C6 H 1
m(Hp) == I 00 g
m(C6HtP6) =? m 1OOg ~ _ l n CC6 H 12 OG) = - => . = ::>, ) 5 mo M 18, 0l6g / mol n(otopljene tvari) x ( otopljene tvari) n( otopine) ako je n(otopine) == n(Hi<)) + n(C 6 H 120 6 )
Kemija u 24 !ekcije
263
-
X (C 6 H 12O 6 ) -
n(C6H1206) n(H2 0) + n(C 6H 1P 6 )
0,25=
_Y l-(5,55+y) 5, .:,5+ y 0,25 · (5,55 + y) = y J, 3875+0,25y=y l,3875 = y-0,25y 1, 3875 = O, 75y = 1,3875 =1 85 y O 75 ' ' mol n(C 6H 120 6 ) = 1,85
IOOg 18,016g I mol =5,55mol
n =.!!!....=!> m(C 6H 120 6) = n· M =l,85 mol· 180,156 g/mol = 333,3 g M
6. V(etanola) = 30 ml V(benzena) = 280 mi p(etanola) = 0,789 g/ml p(benzena) = 0,987 g/ml b(x)=
m(x)
m(otapala)
Budući da je
p(x) = m(x) slijedi da je m(x) = p(x) · V(x ) pa izračunamo masu etaV(x) nola i benzena. m(etanola) = p(etanola) · V(etanola)
m(benzena) = p(benzena) · V(benzena)
m(etanola) = 0,789 g/ml · 30 mi
m(benzena) = 0,987 g/ml · 280 mi
m(etanola) = 23,67 g
m(benzena) = 276,36 g
Iz mase
izračunamo
n ( x ) = -m M
množinu etanola 23, 67 g = O,::,~ l ino I 46, 068 g/mol
M(etanola) = 2 · 12,01 + 5 · 1,008 + 16 + 1,008 = 46,068 g/mol .Molalnost je omjer množine otopljene tvari i mase otapala. n(etanola) O, 51. mol lik b(etanoIa ) = = 1, 85 mo g m(benzena) 46,068 g/mol
v3 = vi+ v2
7. V/HCI, aq) = 120 mL Vi(HCI, aq) = 200 mL
V3 = 120 mL+ 200 mL= 320 mL
= 0,126 mol
n,
n2 = c2 • V2 = 1,8 mol/L · 0,20 L
c/HCl) = ?
n3 = n 1 + n2 = 0,126 mol + 0,36 mol = 0,486 mol c. =
,
264
= c 1 • V1 =
c 1(HC1) = 1,8 mol/L cz(HCl) = 1,05 mol/L
Kemija u 24 lekcije
n,
li;
1,05 mol/L · 0,120 L
= 0,486 mol= 1 5 mol/L
0,320L
'
=
0,36 mol
S. lekcija 8. w(HN03) = 25 % = 0,25 p(HN03) = 1,1382 g/m.L m(otopine) = 250 g
a) y=? (masu nitratne kiseline i zračunamo iz masenog udjela, a volumen otopine iz gustoće) m(x) yx ( ) V(otopine) w(HN0 3 )
= m(HN?3 )
y(HN0 3 )
m(HNOJ V(otopine)
m(otopme)
=> m(HN0 3 )
=w(HNO;) · V(otopine)
=
0,25 · 250 g =62,5 g
kako je: m(otopine) p(otopine)
V(otopine) y(HNO3 ) = b)
250 g _ 219 mL 65 l,1382 g/mol '
62 5 • g = 285 39 glL 0,21 9 L '
c=? M(HN03) = 63,018 g/mol c(HNO ) 3
Drugi
n(HN0 3 ) = m(HN0 3 ) V(otopine) M(HN03 )· V(otopine) 62,5 g _ 62,5 g _ VL - 4, 53 mo 63, 018 g/mol·0, 219 L 13,8 g/mol
način:
W · m(otopine) l ·p(otopine) W ( . ) = m(otopme) . = W·m(otopioe) = ·p otopme m(otopine) p(otopine) =0, 25·1, 1382 g/mL=0,285 g/mL = 285 g/L c=.l. = W-p(otopine) 0,25·1,1382 g/mL 285 g/mL = 4, 5 moVL M M(HN03 ) 63,018 g/mol 63, 018 g/mol
m(HN0 3 ) y= V (otopine)
9. V1(otopina) = 150 mL y 1 (NaCI) = 50 mg/mL y (NaCI) = 22 mg/mL 2
Vz(otopina) = ? Napišemo omjer masenih koncentracija. 1i_
y2
50 mg/mL 22 mg/mL
=2, 27 Kemija u 24 lekcije
265
Rješenja zadataka Otopinu koju trebamo pripremiti ima 2,27 puta manju koncentraciju od početne. To znači da joj volumen treba biti 2,27 puta veći od volumena početne otopine. V = 2,27 · v1= 2,27 · 150 mL = 340,5 mL 2 Prvu otopinu trebamo razrijediti do volumena 340,5 mL da dobijemo otopinu masene koncentracije 22 mg/mL
Drugi način: y 1 V1= y2 V2, V2= (y 1 V1)/Y2
10. V1(otopine) = 75 cm3 V/otopine) = 225 cm3 cilužine) = 0,2 mol/dm 3 c 1 (lužine) = ? Množina hidroksida u volumenu V1 jednaka je množini u volumenu V2 pa slijedi ni = n2 Kako znamo da je c = !!:_ slijedi da je V
3
3
c . V, 0,2 mol/dm · 225 cm L'd J ci . V., = c2 . Vi => Ci = - 2 . -- = ~ 3 = O' 6 n10 , m ft; 7-:, cm 11. V(NaOH, aq) = 50 mL= 0,05 dm3 V(H2 S04 , aq) = 75 mL = 0,075 dm 3 c(NaOH) = 2,5 mol/dm3 c(H2S04) =? 2Na0H (ag) + H2S04 (aq) -
Na2S04 (aq) + 2 H2 0
(I)
Omjer množine kiseline i lužine je: n(NaOH) : n(H2S04 ) = 2: I n(H2S04) = n(NaOH) 2 Kako je n = c ·V slijedi 1 c(H2 S04 )· V(H 2 S04 ) = - c(NaOH) · V(NaOH) I : V(H 2 S04 ) 2 3 3 c(NaOH) · V(NaOH) 2, 5 mol/dm · O, ~5 dm = . 0,83 mol/dm 3 C(H 2So4 ) · 2·V(H2S04 ) 2·0,75dm'
Drugi način:
n(NaOH) = 2,5 mol/dm 3 ·0,05dni3 = 0,125 mol n(H S04 ) 2
n(NaOH) = 0,0625 mol 2 11
'
c(H,S04 )=-=0,83 mol/dm' -
266
Kemija u 24 lekcije
V
S. lekcija
12. a) Množinska koncentracija otopljene tvari najmanja je u otopini C. b) Dodamo li otopini A 500 mL vode, njena množinska koncentracija postat će jednaka množinskoj koncentraciji otopine B. c) Pomiješamo li otopine A i B, dobivena otopina imat će jednah.'ll množinsku koncentraciju kao i otopina D. 13 · m(N3iS04) = 23 g } m(otopine) = 523 g m(Hp) = 500 g w(Na2 S04)=? w(Na,SO,i) = m(Na2SO4) = 23 g = O, 044 = 4, 4% m(otopine) 523 g 14. w(NaCI) = 0,86 % = 0,0086
p01 = 1,005 g/cm3
V<.>l = ? m(NaCI) = 15 g c(NaCI) = ?
w(NaCl) = m(NaCI) ~ m"' = m(NaCI) = ___!2JL_ = 174, 4 g m0 , w(NaCI) O, 0086 p= m V
v
=
OI
1110 •
Po,
=
74 4 t , g = 173 5 cm3 = 0 1735 dm 3 ' ' I, 005 g/cm3 m(NaCI)
c(NaCI) = n(NaCI) V°'
=
= M(NaCI) = V.,,
m(NaCI) M(NaCI) · V°'
15 cr 3 "" = 1,479 mol/dm 58, 44 g/mol · O, 1735 dm 3
15. m(otopinc) = 200 g 15 m(NaCI) = 15 g ::::} n(NaCI) = .!!!.. = g = O, 26 mol M 58, 44 g/mol b(NaCI) = ? m(I-Ip) =111(otopine) - m(NaCI) = 200 g - 15 g = 185 g = 0, 185 kg
b(NaCI) = n(NaCI) = 0,2567 mol = 1,387 mol/kg m(H 2 0 ) 0,1 85 kg 16. y(NaOH) = l l O g/dm3 3 3 Pot = I,1089 g/cm = 1108,9 g/dm w(NaoH) = '? y(x)
= w(x) · p(x),
w(x) = y(x) p(x)
3 w(NaOH) = 11O g/dm , = O 0992 = 9 92% 1108,9 g/dm' ' '
Kemija u 24 lekc11e
Rješenja zadataka ~
11. 1 .__ _ __ c 1 = 1,3 mol/dm
+
2
3
c2 = 0,25
V1 = 80 ml
3
-+
mol/dm 3
C3
V2 =30 mi
=?.
V3 =?.
V3 = V1 + V2 = 110ml ni + n2 = n3 c 1V1
+c2 V1 =c3 V3 3
c. = c,v; +c2 V2
3
3
= 1,3 mol/dm ·0,08 dm +0, 25 mol/dm ·0,03 dm , ~ 0,1 10 dm 3 = 0,1 04 mol+0, 0075 mol = l 013 mol/dm 3 ' 0,110 dm 3
3
18. p01 = 1,84 g/cm3 w 1(H2 S0 4 ) = 0,96 V2 = 1,5 L c2 = 3 mol/L
v, = ?
y(x) = w(x) · Poi , y(H2S04) = 0,96 · 1840 g/dm 3 = 1766,4 g/dm3 c (x ) = y(x) M(x ) '
c(H 2SO)= 4
3 1766 4 • g/dm = 18 01 mol/dm3 98,076 g/mol '
v; = c}'; c1 19.
. _ I_
__ _ _ .
+
= 3 mol/L · 1,5 L = 0, 25 L 18, 01 mol/L
__.1 -
2 _
.__I _
3_ __. c3 = 5,5 mol/L V3 =2L 2 · (2 - V2 ) + 9 · V2 = 5,5 · 2
c 1 = 2M
VI=? n
1
+ n2 = n3
v, + v2 = v3 => v1 = CI V + c V = 1 2 2
V3 -
v2
. _ _ I_
4 - 2 v2 + 9 v2 = 11
c3 V3
7V2 = 7
c,(V3- V2) + c2 V2 = c3 V3
V2 = I L
Treba uzeti 1 L 2-molarne otopine i l L 9-molame otopine.
20. I....._
_ _ _ _ _.! + I.....___2_
w1 =10% = 0, l p 1 = 1,047
g/cm3
v, =? C= 1
y
M
W·P
= -
M O, 1·1047 g/dm 3
36,458 g/mol = 2,87 mol/dm 3
268
Kemija u 24 lekcije
w1 =
___.I - ____3_
_
36 % = 0,36 3
W
3
_
_
= 20 %=0,2
p 1 = 1,1791 g/cm
p3 = 1,098 g/cm 3
V2= ?
V3 = 500 cm 3 = O, 5 L
w ·p
c =2
M
0,36· 1179, l g/dm 3
=- -- - ..a..-36, 458 g/mol = 11, 64 rool/dm 3
W· P M
C3 = -
= 6, 023 mol/dm 3
~
ni+ n2 =
1,435-2,87V2 + 11,64V2 = 3,0115
n3
v1+ v2 = v3 => v1 = v3- v2
8,77 V2 = 1,5765
ci VI+ c2V2 = c3V3
V2 = • =0 179 L 8, 77 '
1 5765
c/V3- V2) + c2V2 = C3 v3
V = 0,5 L - O, 179 L = 0,321 L
2,87 · (0,5 - V2) + 11,64 · V2 = 6,023 · 0,5
1
Treba uzeti 0,321 L prve otopine i O, 179 L dmge otopine. 21 . m(etanola) = 500 g = 0,5 kg
n(naftalen) = O, 15 mol
AT=? ~ n(x) AT=Kb·b, b(x)=-____;__:m(otapala) AT( ) i(naftalen)·Kb(etanol)·n(naftalen) etano1a = .....;;....._ _..:....-----"--'- -:..__-'--- ~ m(etanol) 1 1·1,22Kmo1" kg·0,15 mol =O 37 K=O 37 oc 0,5 kg ' '
u
(i = 1)
Vrelište etanola se povisi za 0,37 °C. 22. m(tvari) = 50 g m(vode) = 180 g 1 Kb(vode) = 0,52 K mol- kg At= 100,8 °C - 100 °C = 0,8 °C At =AT =0,8 K AT=Kb·b b(x)=AT
,
M(x)=
Kb ,
i · Kb·m(x) m(otapala)· AT
i= 1 (nije elektrolit pa ne disolira)
M(tvari) = 1. 0,52 K mor'kg. 50 g = 180,56 g/mol 0,18 kg·0,8 K
23. m(proteina) = 25 g V = 2 L = O 002 m3 ot
'
TI = 1780 Pa t = 25 °C m M(proteina) =? m · R ,T _n_M_m _m · R · T Il=i·c·R·T, i=l, IT=c·R·T, c-v-V- M·V' TI- M·V , M= TI·V 1
. ) 25g · 8,314Pam3 mol-1K- 1 ·298,15K = 17407 g,1mo1 M(prote.ma = 3 1780 Pa·0,002 m· 24. Zbog slabijih privlačnih sila među molekulama benzena. 25. Veću napetost površine ima CHCl3 jer je polarna molekula. 26. Etanol i octena kiselina.
Kemija u 24 lekcije
269
Rješenja zadataka
9 . lekcija 1. a)+-, b)neutječe, c) -.
2. Povećanje volumena dovodi do sniženja tlaka. Lijevo su l + 2 = 3, a desno 4. Da je došlo do povećanja tlaka, ravnoteža bi se pomicala ulijevo u smjeru manjeg volumena ali je došlo do sniženja tlaka pa se ravnoteža pomiče udesno.
3. a) Ravnoteža se pomiče prema reaktantima b) ravnoteža se pomiče prema reaktantima c) ravnoteža se pom iče prema produktima d) ravnoteža se pomiče prema reaktantima. h) povećava se c(NH/) 5. h) konstanta ravnoteže veća.
4. a) smanjuje se c(NH/ )
6.
+
c) ne utječe.
n(H2) = 0,025 mol
mol
H2
n(I2 ) = 0,025 mol
na Eočetku
0,025
0,025
-x
- X
n(HI) = 0,04 mol
12
0,025 - 0,02 0,025 - 0,02 0,005
KC =? 2
K = [HI] c
[H 2](12 ]
0,005
+::± 21-II
o 0,04
0,04:2+0,02 X= 0,02
0,04
3
= (O, 04 mol/dm )2 = 64 (O, 005 mol/dm 3 )2
7. PCl5 +::± PC~ + C'2 m 2, 69 n(PCL) = '
Jl;f
= - - =O 158 mol 137 '
m n(Cl, ) = -=0, 158 moI
-
Kc
M
c(PCl3 ) · c(Cli) ~ c(PCls) = c(PCIJ·c(CI2 ) =O,Ol mol/dm 3 c(PCl5 ) K0
8. a)
b) C
-- A
C
9. a)
<-
b)
-.
1 O. a) K = [C0]2 . (02] C (C02]2
270
Kemija u 24 lekcije
9. lekcija 11 . a) Povećanj em c(PC1 3) povećala se koncentracija reaktanata pa se ravnoteža pom i če u smjeru produkata što znači da nastaje više klora pa njegova koncentracija raste.
b) Povećanje tlaka pomiče ravnotežu prema manjem volumenu, tj. prema reaktantima, što znači da se smanjuje koncentracija klora. c) Sniženje tlaka=> obrnuto. d) Odvođenje iz reakcije PC13 znači smanjenje koncentracije produkata što utječe na pomak ravnoteže prema produktima i povećenje koncentracije klora.
12. a) Zatvoreni sustav. b) Zagrijavanje pogoduje nastanku molekula monomera. c) Egzotermna. d) K = p(Az) p 1i(A) e) Povećanje tlaka pogoduje nastanku dimera zbog Le Chatelierova principa jer ravnoteža se pomiče u smjeru manjeg volumena.
13. a) N2 (g) + 3 H2 (g} --> 2 NH3 b) --> , prema produktu će se pomaknuti ravnoteža.
=
K c)
p
d) K
= C
p2(NH,) p(N2)· p '(H2)
2 5 · 10-3 mol- 2dm6 '
c(N 2) = 2 moVdm 3
c(H 2) = 3 mol/dm3 c(NH 3) = ? N 2 + 3H 2 -t 2NH 3
K = c
[N1-I3]2 • [N2HH2]'
[NHJ
2
=Kc ·[N2 ] ·[H 2 ] 3 = 2, 5· l0-3 mor2 dm 6 • 2 mol/dm 3 ·(3 mol/dm
c(NR 3) =~0,137 mol2 dm-6
e) [
H:~ :Hr
f) Tetraedarske je
3
)3 = O, 137 mol 2 dm-(,
=0,37 mol/dm 3
ili građe.
14. 4 A + 2 C --> 2 B + D 15. a)5A + 3B --> C + 4D b)katalizator. 16
_ v= - 6c(A) 6.t
- (M(A 2 )-6c(A 1)) 6.t
= - (0,75 - 1, 2) mol/dm 3 =3 6 . 10_3 mol/dm3s 125
s
'
Kem11a u 24 lekc11e
271
.
~
'
,.
'
IČJ.. lekcija
· '
.
·,
, (
1. c(Hp+) = 2,4 · l 0-3 mol/dm3 pH= ? c(H 3O+) 2 4 ·10-3 mol/dm 3 =-log ' =-log2, 4· 10-3 =-(log2, 4+ loglo-3) pH =-log mol/dni3 mol/dm 3 =-(0, 38 - 3logl0) =-(0,38 - 3) = -(-2,62) = 2,62 Otopina je kisela jer je pH < 7. 2. c(H,0 4) = 10- 8 mol/dm3 ~
pH=?
pOH = ?
c(OW)=? 3
pH = -log c(H 0 +)3 = -log rn-s mol/dm =-logi o-s = -(-8logl0) = -(-8) = 8 mol/dm mol/dm3 pH+p0H=14 -pOH = 14-pH= 14 - 8=6 3
c(OH-) =
10- pOH
mol/dm 3 = 10- 6 mol/dm3
3. c(HCI) = 0,25 mol/dm3 pH = ? c(jake kiseline) = c(W) jer kiselina potpuno disocira pa slijedi: c(H+) = 0,25 mol/dm3 H I c(H30 +) I 0, 25mol/dm3 p = - og mol/dm 3 = - og mol/dm 3
-log0,25=-(-0,6)=0,6
4. a) pH = 5 c(Hp+) = 10-pOH mol/dm3 ovo koristimo kad je pH cijeli broj c(Hp+) =10-5 mol/dm3 pH+pOH =14 p0H = l4 - 5=9 3 c(OH-) = 10- pOH mol/dm = l o- 9 mol/dm3 b)pH=4,6 c(Hp+) = - pH I inv. log (ovo koristimo kada je pH decimalni broj) = -4,6 I inv. log = 2,5 · 1 mol/dm 3 pH + pOH = 14- pOH= 14 -4,6 = 9,4 c(OW) = - pOH I inv. log = - 9,4 I inv. log = 3,98 · l 0-10 mol/dm3
o-s
5. c) c(OI-r) = 10-10 mol/dm3 Ako je pH = 4 - pOH = 1O- c(OI-i-) = 10-10 mol/dm3 6. m(NaOH) = 2,5 g V(otopine) = 500 ml = 0,5 dm3 pH=? NaOH je jaka baza pa vrijedi c(NaOH) = c(OW), stoga iz zadanih podataka trebamo c(NaOH) što je i c(OW) koji ćemo uvrstiti u izraz za računanje pOH. Iz pOH ćemo naći pH. naći
c(x ) -
272
n(x) V(otopine)
Kemija u 24 lekcije
m 2 5g n =n(NaOH) = ' = O, 0625 mol lvf 39,998 gmor1 = O 125 mol/dm3 c(NaOH) = O, 0625 mol ' 0,5 dm3 c(OH-) = 0,125 mol/dm3 3 pOH =-log c(OH-~ =-log O,I25 mol/dm -log0,125 = -(- 0,9) = 0,9 11101/dnl mol/dm" pH + pOH = 14---+ pH = 14 -pOH = 14 -0,9 = 13,1 pH te vodene otopine je 13,1. 7. t) smanji se 10 000 puta. 8. c(CH COOH) = 10-8 mol/dm3 3
Ka = I, 8 · 10- 5 mol/dm3 c(Hp+) = ? c(CH3coo-) = ? CH3COOH (ag) + HP(t) +-t HP\g) + CI\COo-(ag) 0,2-X
X
X
K = [CH3coo-][Hp+] • [CH3COOH] 1 8 .10-s = X. X ' 0,2- X 2
18 ·10-5 =x /.02 ' 0,2 ' o,36 .10-5 = x 2 X= ~0,36 · 10-5 = 1,897 .10-3 X = c(CH3Coo-) = c(HP+) = 1,897 .10-3 mol/dm 3 H 1 C{H30+) 1 1,897 .1Q-3mol/dm3 (1 l 897 I 10-3) p = - og mol/dm 3 - og mol/dm 3 = - og ' + og =-(0,278 -3logl0) =-(0,278-3) = - (-2, 722) = 2,772
9. Kloridna kiselina je jača od ugljične pa je istiskuje iz njenih soli. CaC03 (s) + 2HCI (aq) - CaC12 Caq) + C02 (g) + H 20 O> Ako ugljikov dioksid, nastao ovom reakcijom, uvedemo u vapnenu vodu (bistra kalcijeva lužina) doći će do zamućenja od istaloženog kalcijeva karbonata. 10. H2C03 + 2Hp - 2H3o+ + co/Hl04 + 3Hp--+ 3Hp+ + P04 3HCN + Hp --+ Hp+ + CN11 . Jakost kiselina opada u nizovima: a) HClO 4 > HC\0 3 > HC10 2 > HCJO b) HN0 3 > HN02 c) HzS04 > l\S0 3. 12. Hl04 + += Hp++ H2 P04-
ttp
Hl04- + ttp += Hp++ HP042HP042- + Hp += Hp++ Po/- .
13. a) col' 14. c) NH4CI. Kemija u 24 lekcije
273
~ješenja zadataka
15. c(jakekisekine)=c(H+)=0,001 mol/dm3, pH=3, pOH = l.l,c(OW)= 10-11 mol/dm3 . 16. b) 2 mola vode: 2NaOH + H2S04 --+ Na2S04 + 2Hp. 17. a) NHy
18. b) sol; olovov(ll) acetat, to je sol etanske kiseline. 4 19. a) 65,3 %; w(O,H3 P0 4 )= A,.(O) ~ = 0,653 = 65,3%. Mr (H 3P0 4 ) 98,024 20. d)HCI. 21. c(NaOH) = 0,4 mol/dm3 . 22. a) amonijev nitrat; b) kalcijev dihidrogenfosfat; c) aluminijev hidrogenfosfat; d) natrijev sulfat. 23. a)HS03-; b)P043-; c) 0 2-. 24. a)
co32-
Tvar
Konjugir~_ii~:~ ldsclina ··-.-.. ::-, HC03b)
HPO42-
Br-
NH. . 4+ H2P04-
HBr
NH3
Tvar
B-zO
NH3
Hco3
Konjugirana baza
OH-
NR-
co32-
2
HN0 3
HPO42-
Off
LifilJ
Hp
NH+ 4
so32-
25. a) CaO (s)+ H20 (tl--+ Ca(OH)2 (s) MgO (s) + Hp (I) --+ Mg(OH)z (s) b) Ca(OH)2 (s) --+ Ca2\q) + 20H-(aq) 2
Mg(OH\(s) --+ Mg +(aq) + 20H-(aq)·
\(.\? HPO4 2- + H+
'>-'3:0
26. H 2 P04-
\\~~
~
b~~
Hl04
27. d) 12,8. 28.
NH + b) HCO - c) H20 4 3 -29. c) 11,4; m(Ca(OH)2 ) = 0,37 g V Ot =5L m c= - M -V c(Ca(OH) 2) ~ c(OW) ~ pOH ~ pH.
d)
30. d) CN- i OW. 31. a) Sumporna kiselina (metiloranž je crven u kiseloj otopini). b) H2S04 Ca
274
Kemija u 24 lekcije
nih otopina ne izlučuje on već vodik, a sulfat-ion je složeni ion pa se izlučuje kisik).
d) K(-): 2Hz° + 2e- - H 2 + 2 0W A(+): 2H 0----+ 0 2 + 4H+ + 4e-. 2
3
32. V(ukupni) = V + V + V3 = 4,5 + 3,5 + 1,5 + 9,5 cm 3 = 0,0095 dm 1 2 A) n = C · V B) n = C · V C) n = C · V 9
n = 8,75 · 10-9 mol
n = 6,75 · 10-9 mol
Lužina je u suvišku. (6,75 · 10-9 + 8,75 · 10- 9
-
n = 2,25 · 10- mol 9
2,25 · 10- = 13,25 · 10-
9 )
n(OW) = 13,25 · 10-9 mol c(Off ) = n(OW)
= 13,25 .10-9 ~o] = I 395. J0-6mol/dm3
V
0,0095 dm"
' 6
pOH = - log c(OH") =-logl, 395·10- = -(0, 145 -6) =5,855 3 mol/dm pH+pOH=14, pH=l4-5,855, pH = 8,145
33. Karbonatni pufer: HC03- I H 2C03 .
n. lekcija I
x
;r
-2
-2
b) MnOt
1. a) K 2 Cr2 0 7
X
., -2
-2
c) tv1n04-
d)
cio;
x +3(-2) =-1 x+4(-2) = -1 x+4(- 2) = - 2 2(+1)+2x +7(-2) =0 x=-1 +6 X = -1+8 x=-2+8 +2+2x-14 = O x =+5 x= +7 x=+6 2x= 12 x=+6 2 . a) (redukcijsko sredstvo je natrij, a oksidacijsko je kisik) i c) (vodikov peroksid je i oksidacijsko i redukcijsko sredstvo, to je reakcija disproporcioniranja). U ostalim reakcijama nema promjene oksidacijskih brojeva. +I
3.
O: Na~Na+e· /. 2 o
R: c1 2 + 2e·
~
2cr
+l
Qedan atom klora prima jedan elektron, a u molekuli su dva atoma pa primaju dva elektrona)
2Na ~2 Na ++~o Cl 2 +~- ~ 2c1o +I 2Na + Cl2 ~ 2Na + + 2CI" ~ 2NaCI +2
4.
O: Mg~Mg 2 + + 2e· o R: 0 2 +4e- ~ 202 • +2
2Mg ~ 2Mg 2+ +-4e--
/· 2 Qedan atom kisika prima dva elektrona, a u molekuli su dva atoma pa primaju četiri elektrona)
o
0 2 +-4e-" ~ 20 2 • +2
2Mg + 0 2 ~ 2Mg 2... + 202 - ~ 2Mg0
Kemija u 24 lekcije
275
Rje.$enja.z,adataka
5.
+3
O: Al~Al 3+ +3e-
/ ·4
o
R: 0 2 +4e- ~ 202 - I ·3 +3
4Al ~ 4AI3+ + -He-o
302 +-He-- ~ 602+3
4Al+30 2 ~ 4Al 3+ +60 2 - ~ 2Al 2 0 3 +2
6.
O: Zn-+Zn2++-2e-+1
R: 2H +-i!e---+ H2 +I
+2
Zn + 2H+ -+ Zn 2+ + H 2 O
7.
Zn + HCl-+ ZnCl 2 + H 2 I
5 -2
2
5 -2
4 -2
Cu+W +No; ~Cu 2+ +2NO; + N0 2 +H 2 0
. .. I I. oks1dac1Ja
l
redukcija!
.
O: Cu-+ Cu 2 ++ 2es
4
R: NO; +e- +2H+ -+ N0 2 + Hp
/· 2
Dušik je iz +5 prešao u +4, zna-
2NO; +*- +4H+ ~ 2N0 2 +2Hp
či da je primio le-. Desno smo dodali 1 vodu da bude broj atoma kisika lijevo i desno 3. Kako sada imamo 2 vodika desno tre-
Cu ~ Cu
2
+
+*4
Cu + 2NO; + 4H+ -+ Cu 2+ + 2N02 + 2Hp Cu + 4HN03 I
8.
~
3 -2
7 -2
Na• + NO;+ 2H• + SO!- + K • + MnO~
5 -2
4
S
O: NO; + HzO ~ NO; + 2e- + 2W 7
2
2
Na· + NO;+ 2K. + SO!-+ rv1n 2 • +SO!- + H2 0
I
Iredukcija
Ioksidacija 3
ba upisati 2H+ lijevo.
Cu(N0,) 2 + 2N02 + 2Hp
2
R: Mn0~+5e-+8H.~Mn ++4Hz0
I
I· 5
/ ·2
5NO; + SH2 0 ~ 5NO; + -We-- + J..0H+ 6
2Mn0~ +-We-- + j6f(+ ~ 2Mn 2+ +8H 2 0 SNO; + ~ + 2M.nO; + 6W ~ 5NO; + 2Mn + + ~ 2
3H 2 0
SNaN02 + 3H2S04 + 2KMn04 -+ 5NaN03 + ~S04 + 2MnS04 + 3HzD 2
-I
I
G
-2
I
-1
3
-I
I
·I
3
-I
9. Fe2• +2c1- + 2K++Cr20;- + R' +CI--; Fe3• +3Cl- + K+ +Cr +Cr 3++3Cr +Hp !oksidacija
O: Fe2 + ~Fe 3• + e6
Iredukcija / ,6 3
R: Cr2 0 ;- +6e- + 14H+ ~ 2Cr3• + 7H 2 0
276
Kemija u 24 lekcije
I
I
11 . lekcija
6Fe 2... ~ 6Fe3+ +-6e-6
3
Cr2 0 ;- +-6e-- + 14W ~ 2Cr 3+ + 7H2 0 6Fe 2+ + Cr20 ;- + l 4H"' ~ 6Fe 3• + 2Cr3 ' + 7H 20 6feCl2 + ~crp
7
+ 14HCI -+ 6FeC13 + 2KC1 + 2CrCl3 + 7Hp
Kako su 2 kroma lijevo i desno pišemo 2 ispred cr3+. Jedan krom prelazi iz +6 u +3, to znači da prima 3e-, a 2 kroma primaju 6e- . Lijevo je 7 kisika pa desno dodajemo 7H 0 , sad desno imamo 14 vodika pa ih dodajemo i lijevo . 2
•)
6
-2
-2
O
10. R . + r +2w + so!-~ 2H+ +s 2- + 12 +H 20 oksidaci 'a redukcija
O: 2r
~ 12 +2e-
' +Se- +SH+ ~si~ +4H 0 R: SO!-
/ ·4
2
s r ~ 41 2 +-&--
1.4
so;- +-se-- +sw ~s 2- +4H 20 sr+ so!-+ 81-I'" ~ 41 2 + s2 - + 4H 2 0
8HI + H2SO4 -+ H2S + 41i + 4H.p 2
7
3
2
11 . Fe 2• +so:- + K- + Mno; +2H· +SO! 4 2Feh +Jso:- +Mn2• +So!- +2K· +SO! +H20 l~o_ks _i_d_a c_u_·a~ ~ - -l~r=ed=u=k=c~ij=a =======-..,~l~ ~ ~ ~ - 1 O: Fe 2+ ~ Fe3++e7
/ -5 2
R: MnO~ +se- + 8H+ ~ Mn + + 4Hp 2
5Fe 2+ ~ 5Fe3+ +-:Se-MnO~ +-:Se-- +8W ~ Mn 2 • + 4H 2 0 5Fe2+ +MnO; +8H• ~ 5Fe3+ + Mn 2+ +4H 20 tOFeS0 4 + 2K.Mn04 + 8H2 S04 -+ 5FeiCS0.J 3 + tMnS04 + ~S04 + 8H 2 0 5FeiCS0 4) 3 => lOFe 12. a) To je klor koj i se reducira. b) To je željezo, ono se oksidira. c) Redukcijske sredstvo sudjeluje s 3, a oksidacijsko s 1 elektronom. d) Otpuštenih elektrona je 6, a primljenih 6 jer ukupan broj primljenih i otpuštenih mora biti isti
O: Fe 2·~fe3++3e/ ·2 R: c1 2 + 2e - ~ 2cr I .3 2Fe 2+ ~ 2Fe;+ + 6e3Cl2 + 6e- ~ 6Cr 2Fe + 3Cl2 ~ 2Fe 3• + 6Cr ~ 2FeCl3 Kemija u 24 lekcije
277
Rješenja zadataka
I 5 -2
l -1
4 -2
2 4 -2
4 -2
13 . KF, HN03 , S02 , CaC0 3, O
O
I
5 -2
l
2
so;-, PO!- , Na+, Zn
2
"
-I
14. 2Na+Cl2 -t 2NaCI oksi acija redukcija Natrij se oksidira, a time omogućuje redukciju klora pa kažemo daje natrij redukcijske sredstvo ili reducens. Oksidacijski broj mu se povećava. Klor se reducira pa omogućuje oksidaciju nabija, te kažemo da je klor oksidacijsko sredstvo ili oksidans. Oksidacijski broj klora se smanjuje. 15. Prijelaz elektrona s reducensa na oksidans.
1. I=IOA t = 20 min = 1200 s m(Zn) = ? Zn(N03 ) 2
Zn + + 2e- -
K(- )
2
+
+ 2NO;(,q)
Zn
m (Zn ) = M(Zn)·Q
Z·F
Q = I · t = l OA · 1200 s = 12 000 As
65, 38 g/mol · 12 000 As = 4' 065 g 2·9, 65·10 4 Asmol - I
m(Zn)
Izlučit će
2. I = 15A t = lh m(Ca) = '? V(Cl2) = ? CaCl 2
K(- ): Ca2+ + 2e- - Ca A(+): 2Cl- - Cl 2 + 2eQ = J · t = I 5 A· l h = 15 Ah m(Ca) = M(Ca) ·Q = 15 Ah·40,08 g/mol =ll, g 216 Z· F 2·26, 8A.h/mol
V(Cl
2
0
)
3. m(Alp 3 )= I kg i= 35 OOOA t=?
278
3
= Q· V ·m = 15 Ah ·22, 4 dm /mol = , dm 3 6 27 Z·F 2·26,8 Ah/ mol
Kemija u 24 lekcije
se 4,065 g cinka.
12. lekcija
>4 Al(I) + 30 2(g) elek!l'oliza ) 2 Al3+ + 30 23 Al3 ++ 3e- -+AI / ·4 20 2- -+ 0 2 + 4e- / -3
2Al20 3 Al O 2
elektroliza
4Al3+ + ~
60
2 -
~ 30
- -+ 4Al
2+~-
4Al 3+ + 60 2 - -+ 4Al + 302
n(Alp3) : n(e-) = 2: 12 = I : 6 . m(Al 20 3 ) _ 6· 1000 g __ 8 82 - )_ _ (Al0)- 6 - :, , n (e - 6 n mo I 2 3 M(Al 20J 102,0 g/mol Q = n(e) ·F I ·t = n(e)· F t = n(e) ·F 58,82 mol-26,8 Ah/mol = 1576,376 h = O 045 h = 2 7 min I 35 000 A 35 000 ' '
4. b) Zn. 5. c) 2 V. 6. n(Cl1 )
=
1,2 mol
m(Cr) = ? prvi : ZnCl2 - . Zn2 + + 2cr drugi: Cr(N03) 3 - . Cr3+ + 3N03A: 2c1- -. Cl, + 2e- I ·3 K: cr3++ 3e- -- Cr I ·2 Prema 2. Faradayevu zakonu omjer množine kroma i klora je n(Cr) : n(Cl2 ) = 2:3 => 3n(Cr) = 2n(C~) n(Cr) =2n(Cl2 ) = 2 · l, 2 mol = 0 8 mol
3
3
'
iz množine računamo masu: m(Cr) = n · M= 0,8 mol· 52 g roo1- 1 = 41 ,6 g Na katodi drugog elektrolizera će se i zlučiti 41 ,6 g kroma. 7. a) NaCl(s) ~ Na \i) + c +I
K(-): Na+ +e- ~ A(+) : 2Cr ~
r ( I)
Na / ·2 o Cl 2 + 2e-
+1
2Na+ + ~ - -+ 2Na o 2CI- -+ Cl 2 +~ -
+1 o 2Na+ + 2Cl- -+ 2Na + Cl2 Jzlučuju se elementarni natrij i klor.
b) NaCl ~ N a \q1 +CrC•'ll N a katodi su moguće dvije reakcije (redukcija natrija i vode), a ide ona za koju treba manja energija tj . reakcija s vodom.
Kemija u 24 lekcije
279
Rješenja.zadataka
K(-): 2H 2 0+*- ---+ H 2 +20Ho A(+): 2c1- ----j' Cl 2 + * 2H20+2cr---+ Hl +20W +Cl2 Razvijaju se vodik i klor, a natrij se ne izlučuje već s OH- daje lužinu NaOH. 2
c) ZnC1 2 (sJ ~ Z n " +2Cr<'"ll Budući da Zn nije iz I. niti II. skupine u vodi ide njegovo izlučivanje na katodi. K(-): Zn 2+ + * - ~Zn " A(+): 2cr ---+ CJ 2 + * Ako su u vodenoj otopini složeni
z0
2
+
+2c1- ~ Zn+Ct
anioni (CO/-, No3-, PO/- , So/-) na anodi se umjesto njih oksidira voda i oslobađa se kisik j~r je to energetski povoljnije.
2
d) Zn(N0 3 ) 2 ~ Z n 2 + +2NO~ K(-): Zn 2 ++2e- ---+Zn /·2 A(+): 2H 20---+0 2 +4H++ 4e-
e) MgS0 4 ~ M g 2+ +SO!K(-): 2H20+2e- ---+H2 + 20I-r A(+) : 2Hp ~ 0 2 +4H+ +4e-
/ .2
6H2 0---+ 2H 2 +0 2 + 4W + 40ff 4Hp~2H 2 +0 2
U vodenoj otopini imamo metar 2. skupine (zato na katodi ide reakcija s vodom i izlučuje se vodik, ali imamo i složeni ion pa i na anodi ide reakcija s vodom i izlučuje se kisik).
8 . Iz tablice standardnog elektrodnog potencijala pronađi vrijednosti &0 : E 0(Al 3+/Al) = - 1,66 V
E 0(Zn2+/zn) == - 0,76 V Element koji ima negativniju vrijednost E 0 je anoda (to je Al). Reakcije na elektrodama: +3
A(-): Al-> Al 3 ++ 3eK(+): Zn 2+ + 2e----. Zn
oksidacija redukcija
Shema članka: Al I Al 3+ 11 Zn2+ I Zn Napon članka:
Ečl = E katode -Eanode = E°(Zn2+/Zn)-E°(Al3.r/Al) = -0,76 V-(- 1,66 V) = 0,9 V. 9. 8,28 h.
10. 2,63 g. 11. E°(Mg2+/J\.1g) = -2,36 V
E°(Cu2+/Cu) =0,34 V anoda katoda Ečl = EK -EA = 0,34 V -(- 2,36 V) = 2,7 V.
12. CaC~ treba biti rastaljen jer bi se iz otopine zbog negativnog redukcijskog potencijala kalcija na katodi izlučivao vodik, a ne kalcij.
280
Kemija u 24 lekcije
12. lekcija
13. c) Cl2 - klor.
14. a) Nedostaje elektrolitski most. b) .E°(Fe/Fe2+) = -0,44 V E1(Ag/Ag+) = 0,80 V 2
Fe(s/ Fe
\q)// Ag\ti/Ag(s)
15. a) E1(Z n/Zn2 +) = - 0,76 V
E1(AI/Al 3
31 ')
= -1,66 V
\q)
A l(s) ---+ A1 + 3eb) Od negativne elektrode prema pozitivnoj elektrodi.
16. a) Aluminij. 3+
2'
b) Al(s/ Al (aq) // Cu T(aJCu(s) c)A(- ): Al---+ Al 3+ + 3eK(+): Cu 2+ + 2e- ---+ Cu d) Ništa se ne bi dogodilo jer bakar ima pozitivniji elektrodni potencijal. e) Aluminij. t) To je postupak stvaranja zaštitnog oksidnog sloja na površini metala.
17. Q=2,5 · l02 As t=45 °C =::, T= 318,5 K p = 1,2 bar = 1,2 · I 0-5 Pa
a) m(Cd) =? Cd(NOJ 2 ~ Cd 2+ + 2NO; K(-): Cd 2+ +2e- -+Cd
A(+): H-0-+..!_0,+ 2e- +2W
•
2 -
m = I ·t· lvf
m(Cd) =
Q· M(Cd)
2
= 112, 4 g/mol ·2, 5-10 As 4
0, 146 g
Z·F Z·F 2·9,65·10 As/mol b) m(Cd) =::, n(Cd) =::, n(02) =::- V(02) n(Cd)= ~ = O,l 46 g =l,298 ·10-3 mol lvf 112, 4 g/mol n(Oi): n(Cd) = 0,5: 1 n(0 2 ) = 0,5 · n(Cd) 3 n(0,)=.1' 298 ·l0- mol=6 49·10""' mol
-
2
'
pV=nRT 1 1 4 V(0 )= nRT = 6,5·10- mol-8,314 NmK.- mol- ·3 18,15 K = l, 43 . 10_5 m 3 2 p \,2 ·10" Nm V(0 2 ) = 1,43 -10-2 dm
3
18. a) natrijev sulfat, c) cinkov karbonat i d) aluminijev nitrat,jer u tim solima je složeni ion, a tada na anodi manju energiju zahtijeva elektroliza vode, izlučuje se Or
19. Ne nastaju. ZnCl 2 ~ Z n 2 + +2Cr K(-): Zn 2++2e- ~Zn A(+) : 2ci- ~ Cl 2 + 2e-
ZnSO 4 ~zn2 + +so 24K(- ) : Zn 2+ + 2e- -+ Z n A(+): 2HP -+ 0 2 + 4ff.. +4eKemija u 24 lekcije
281
Rješenja zadataka
IJ. lekcija 1. Natrij je jače redukcijsko sredstvo i istiskuje vodik iz vode (E (Na+/Na)= - 2,714 V, a E (2"20/H2 + 20W) = - 0,83 V. 2. Koordinacijski broj je 6, to je plošno centrirana kristalna struktura. 3. pH te otopine je 7 jer je natrijev klorid sol jake kiseline i jake baze pa nema reakcije hidrolize.
4. a) Endotermna M = 4 kJ/mol. V= 25 ml m(NaOH) = I g c(NaOH) = ? c = !!..= 0,025 mol 1 mol/dm 3 V 0,025 dm 3 M(NaOH) = 22,99 + 16 + 1 = 39,99 g/mol 5.
a) NaHCO,---* , Na+ + HC03-
HC0 3- + ttp -,, H C0 + OW 2 3 Hidroksidni ioni ukazuju na lužnatost otopine (pH=8). b) Uočava se pjenjenje ( oslobađa se ugljikov dioksid) jer dolazi do kemijske reakcije. NaHC0 3 + W-+ Na++ C0 + H 0. 2
2
6. a) 2NaHC03 Cs> ~ Na 2 C03 ls> + 1-Ip(gJ natrijev karbonat
b) t 1(H 20) = 27 °C
t/NaC0 3 (aq) ) = 33 °C egzotennnareakcija.
c) Na2C03 -,, 2Na+ + co 3
C03- + H20-+ HC03- ~ lužnata otopina d) NaHC03 je slabija lužina od Na2C0 jer je HCo 3
3
slabija baza od C0
2- . 3
7. a) Tinta je gubila boju, a otopina oko elektrode, gdje je stavljen fenolftalein, obojila se ljub ičasto.
b) K(-): 2H 20+*- ~H2 +20W A(+): 2cr ~c12 + * 2H 2 0+2Ct ~ I-I2 +Cl 2 +20W
c) Jer je otrovan. d) Zbog razvijenog klora.
8. m (Na2 C03)
=
55 g
m (otopine) = 500 g p(otopine)= 1,065 g/cm 3 = 1065 g/dm 3
c (Na2C03) =? 282
Kemija u 24 lekcije
13. lekcija
m(Na 2C0.1) c(Na,CO ) = n(Na 2 CO,) 3 V(otopine)
9.
I == 25
55 g
= M(Na 2 ~03) = 105,99 g/mol = 0,519 mo~ = l,l moVdm' 500 g 1065 g/dm 3
m(otopme) p( otopine)
0,469 dm'
°C
p = l bar = 105 Pa
111 8g m(KO,) = 8 g ~ n(K02 ) == - = == 0,1125 mol M 7 1,1 g/mol V(02) = ?
n(KOi): 11(02 ) = 4: 3 4n(0 1 ) = 311(K0 2 )
O,OS 4 mol
n(O ) =3n(K0 2 ) = 3·0,1125 mol 2
4
4
pV== nRT 1
1
V(O ) = nRT = 0, 084 mol -8,3 14 gK- mor • 298,15 K 2 p 10 5 Pa
= 208 2 . 10-s m J = 2 082 . IQ-J m3 '
'
10. 2Na<,l +2H 2 0
' V(X) ' 2 m(Na) = lg m l g n(Na) = =0,043mol M 29,99 g/mol
'
11 . a) Ispod bijelog sloja (MgO) nastao j e sivi prah (Mg3N 2).
b) Lakmus promijeni boju, znači da je sloj lužnat. c) 3Mg + N 2
-
Mg3N 2 (sivi prah~
Mg3N 2 + 6H2 0 -
3Mg(OH)2 ~
d) 3Mg: +2 • ~: ~ 3 Mg2 ' + 2(:
neugodan miris
>
B:a:Y- ~ Mg_N 1
2
12. CaC0 3 + 2HCJ-> CaC12 + C0 2 + Hp.
13.
Djelom i čno
se ocapa u vodi . Otopina se obojila u lj ubičasto . CaC03 ~ CaO + C0 2 CaO + H 20 ~ Ca(OH) 2
14. a) .Egzotermna. b) pH = 11. c) CaO + Hp - Ca(OH)2 d) Suspenzija kalcijeva hidroksida, vapnena voda.
~cat:q)
e) Ca(OII) 2 +20H(aq) t) Kao reagens za dokazivanje C0 2 jer se zamuti.
Kemija u 24 lekcije
283
Rješenja zadataka
15. a) CaC0 3 <,> a >CaO<,l + C0 2 (g) Kc =c (C02) Ravnotežno stanje ne ovisi o prisustvu čvrstih tvari pa njihove vrijednosti ne ul.aze u izraz za K C. b) Snižavanjem tlaka će se ravnoteža pomicati udesno i nastajat će više CaO. m 10 g 16. m(Na)=lOg~n=-= 0,435mol M 22, 99 g/mol .. m 5~2a 0 m(I 2 ) == 50,2 g ~ n = - = = 0,198 mol M 253,8 g/mol
2Na + 12 --+ 2NaI n(Na) : n(I ) = 2 : I (natrija reagira duplo više nego joda) 2 n(Na) = 2 · 0,198 mol = 0,396 mol a ostalo je suvišak n(Na) : n(l2) = 2 : 1 n(Na) = 2 · n(I2) = 0,396 mol m(Na) = n · M = 0,396 mol · 149,89 g/mol = 59,35 g. 17. V(C0 2) =?
m(C02) =? t= 17 °C = 290,15 K p = 98,8 kPa = 98 800 Pa m(Ca03) = 160 g CaC03 --+ CaO + C02 m 160g n(CaC0.)=- = -- ~ - = 1, 599 mol ' M 100, 09 g/mol n(C0 2 ): n(CaC0 3 ) = 1: I n(C0 2 ) = 1,599 mol pV=nRT V(CO, )= n(C0 2 )·R ·T 1,599mo1·8,314 JK-'mot' ·290,15 K 0, 039 m3 = 39 dm3 • p 98 800 Pa m(CaO) = n(CaO) · M(CaO) = 1,599 mol · 56,08 g/mol = 89,67 g.
18. c(Mg(OH) 2) = 1,125 rnol/dm3 .
14. lekcija 1. 2AI + 6HCl--+ 2AlCl 3 + 3H2 (reagira s koncentriranom i razrijeđenom HCl) 2AI + 3H SO --+ A liCSO4) + 3H2 (reagira samo a razrijeđenom sumpornom kiseli3 2 4 nom)
(ne reagira ni s razrijeđenom ni s koncentriranom jer se na površini stvo1i zaštitni oksidni sloj koji pasivizira aluminij pa postaje plemenit)
284
Kemija u 24 lekcije
14. lekcija
2.
3.
U kiselom mediju 2Al + 6HCl -+2AICJ3 + 3H2
A~0 3 +6HCI-+2A1C~ + 3'8i0
U lužnatom medij u
A1p3 + 2NaOH + 3Hp -+ -+ 2Na[Al(OH)4 ]
2AI + 6Na0H + 6H20-+ -+ 2Na[Al(OH)4] + 3H2
a) Cu + H 2 S0/konc.)-+ CuS04 + S02 + 2Hp
Cu + HNOiraz.) -+ Cu(N03) 2 + NO+ Hp Cu + HNOikonc.)-+ Cu(N03) 2 + N02 + Hp crvenosmcđi
plin
b) Bakar reagira samo s kiselinama koje imaju oksidacijsko djelovanje (H2 S04, HN0 3).
4. a) CuO + Hp-+ ne reagira CuO + H 2 S04 -+ CuS04 + Hp CuO + NaOH -+ ne reagira b) CuS0 4 -+ Cu 2+ + so/ -. c) Plave. d) Cu2 + + 20ff -+ Cu(OH)2 modri talog e) To je postupak kojim se jedan metal prevuče tankim slojem drugoga koji je manje podložan koroziji, prema tome ima pozitivniji elektrodni potencijal. Anode su običn o od metala kojim se vrši presvlačenje tako da anodna reakcija nadoknađuje ione koji se reakcijom talože na katodi.
5.
CuS0 4 ·5Hp
6
>CuS0 4 +5Hz0 (bijeli)
a) Plave boje. b) CuS04 + 5Hp -+ CuS04 • 5Hp.
(reagira s razrijeđenom i koncentriranom)
6. Fe + HCl(razr.)-+ FeCl2 + H2
Fe + H S0 -+ FeS0 + H (samo s razrijeđenom) 4 2 2 4 Fe + 4HN03 -+ Fe(N0 3) 3 +NO+ 2Hp (samo s razrijeđenom) Željezo ne reagira s koncentriranom HN0 3 i H 2SO 4 koje imaju oksidacijsko djelovanje pa se na površini željeza stvara Fe20 3 koji pasivizira željezo.
7. Zbog redukcijskog potencijala. Željezo je negativniji element od bakra pa ga istiskuje. Fe + CuS0 4
-+
Cu + FeS04
8. a) m(Cu) = 80 kg A(+): Cu -+ Cu 2+ + 2eK(- ): Cu2+ + 2e- -+ Cu
t= 8h
I=? I ·t·M
m =- - Z ·F
1
= m·Z .p
t·M
=80 000 g-2·965000 Asmor =8436 05 A= 8 4 kA 1
28800s·63,55g/mol
'
'
Kemija u 24 lekcije
285
. . . . . .1111111........11111111.....................~)llllllllllllll,1111111--
I
R;e$0nja zadataka b) m(CuFeS) = ? m(Cu)=80kg=>n(Cu)=~ =
M
SOOOOg =1 258.85mol 63,55 g/mol ·
2CuFeS 2 + 40 2 - ~ + 2Fe0 + 3S02 @ - 2cu20---+ 6Cu + S02 n(Cu) : n(Cu 2S) = 6 : I n(Cu ) n(Cu 2S) = - -=209,8 mol 6 n(Cu2S) : n(CuFeS 2) = l : 2 n(CuFeS} = 2 n(Cu2S) = 2 · 209,8 mol = 419,6 mol. m(CuFeS2) = n · m = 419,6 mol· 183,52 glmol = 77 004,99 g = 77,005 kg.
9. m(SO,) =? m 1000 000 . . n(Cu 20) = 1t = l 000 kg = 1000 000 g => n(Cu.,0 ) = - = = 6988,12 mol M 143, l g/mol 2Cu20 + Cu 2S ---+ S02 + 6Cu n(Cu2 0) : n(S02) = 2 : l n(Cu 2 0) . n(S0 2 ) = = 3494,06 mol 2 m(SO) = n · M = 3494,06 mol · 64,06 g/mol = 223 829,48 g = 223,86 kg. 10. m(CO) = ?
m m(Fe) = 2, 5 kg=> n(Fe) = · M Fe20 3 + 3CO ---+ 2Fe + 3C0 2 n(Fe) : n(CO) = 2 : 3 3 n(CO)= n(Fe) =67,14 mol 2 m(CO) = n · M = 1879,92 g.
=
2500 g =44, 76 mol 55,85 g/mol
11. Cu
hematit: Fe20 3 limonit: Fep3 · H 20 magnetit: Fe3 0 4 siderit: FeC0
boksit: Al 20 3 · Hp bekit: AIO(OH)
hal.kopirit: CuFeS 2 halkozin: Cu 2S
h.idrargilit: Al(OH\
kuprit:
cup
3
pirit: FeS2 12. Cu 2+ ioni su otrovni za mikroorganizme.
Gašeno vapno (Ca(OH)2) s ionima bakra stvara teško topljivi spoj Cu(OH\ pa se tako bakrovi ioni dovoljno dugo zadržavaju na lišću vin ove loze. CuS04 (aq} + Ca(OH)2 (aq)--,, Cu(OH)2 (s) + CaS04 Cs) 13. a) Fe2 0 3 (s)+ 3CO(g} ---+ 2Fe(t) + 3C02 (g) b)CO
c) Sirovo željezo ili cementit, grotleni plinovi i troska.
286
Kemija u 24 lekcije
1S-. lekcija
d) Fep3 · x 1-120 , željezov(lll) oksid hjdrat. e) Zn se oksidirajer je negativniji od željeza.
\q)
2
2
f) Zn(s) I Zn +(aq) li Fe I F\s) g) e- se gibaju od Zn prema Fe (anoda---+ katoda), a anioni od Fe prema Zn (katoda ---+ anoda).
Zadatci o vodiku 1. a) Cu2+ + Zn---+ Cu + Zn2+
b) Razvijao se plin vodik. Zn + 2HCI---+ ZnCl 2 + H2 c) m(Zn) = 0,2 g
V(H2) == ?
m 0,2o0 n(Zn) ==- = =0,003mol M 65,38 g/mol
n(Zn): n(H) = 1 : 1 n(I-1 2) = 0,003 mol
vo
n =-
V,~ 2. m(H
) = 2
M(H 2)
=
1
3
V 0 (H 2 ) =n·V,~ = 0, 003 mol-22,4 dm\nor =0,0672 dm
l kg = 1000 g
2 g/mol
N(H2)=? m N n =-= 1\! N A'
N = m ·NA M 23
N(I-Ii) = 1000 g · 6, 022 · 10 moi-
1
2 g/mol
3011 _1023
=3 _1026
3. V(I-1 2) = 5 L = 0,005 m 3 t=25°C T = 298,15K 2 p = 3,3 bar = 3,3 · 105 Pa= 3,3 · 105 NmH2
t:,.hH = 435kJ/mol
PV= nRT 5
n(H )=pV =
3
3,3-10 Pa·0,005m = 06611101 2 RT 8,314 NmK- 1mor1 -298,15 K ' Q = 435 kJ/mol - 0•66 mol 287,1 kJ 1
Kemija u 24 lekcije
s ·).'"; ,:
Rješenja zadataka
4.
CH4 (g)
+ H 20
(g) ;= co(g) + 3H2 (g)
tJ,.,. H > O
K = p(CO)· 1/(H 2 ) p
p(CH 4 ) • p(I-1 20)
a) jp -
uzrokuje pomak ravnoteže prema reaktantima jer je volumen plinske smjese reaktanata manji od volumena plinske smjese produkata.
b) !p c) jt ---+ jer je ovo endotermna reakcija kojoj pogoduje viša temperatura i ravnoteža se pomiče prema produktima. d) Katalizator ne pomiče ravnotežu, on samo ubrzava reakciju smanj ujući energiju aktivacije. e) jc(CHJ ---+ ravnoteža se pomiče u smjeru produkata.
5. a) U spoju L iAIH4 vodik ima oksidacijski broj -1 i zato lako oksidira paje redukcijsko sredstvo.
b)
H
~o
I
CH C~C v + L iA1H eter CH, CH C - O - AlRLi 3 4 2 I ., J propanal H H
'
H
CKCH2 Ć:I - 0 - AIH,Li a J
H 30 + CB,CH CHpH 2 propan o!
H 6. a) CaI-12 (s) + 2H.0cii-+ 2H2 (g) + Ca(OH)2 (aq) b) V(H) = 10,88 dm3.
7. H(gl + H(gl-+ H2 (g)
H
tJ.,H = -463,4 kJ/mol
egzotemma reakcija H2ci>
8.
+ N 2 (g) -+ 2NH3 (g) H 2 (g) + CuO(s)-+ Cu
Vc)dikje oksidacijsko sredstvo i u rekaciji s kalcijem, a u ostalima je redukcijsko.
9.
Koristeći sljedeće
H 2(!!J +
I
20
2
podatke:
2C(s> + H 2 csl -+ C2 H 2 ful
I ·2
Cc9 + O(gJ -+ C0 20i
I -4
B
tJ.,H = 226, 7 k.T/mol tJ,.// = 393,5 kJ/mol
2C 2 H 2 -+ }tĆ + ~
6 ,H = -453,4 kJ/mol
~ +0 2 -+2H2 0
t!..Jf = 570 kJ/mol
}tĆ + 40 2 -+ 4C0 2
tJ.,H = 1572 kJ/mol
2C2 H 2 + 502 -+ 4C 2 + 2H2 0
288
t:.J-T = 285 kJ/mol
(g) -+ HP<1> I ·2
Kemija u 24 lekcije
•
15. lekcija
tt.,H = fj.J-f1 + ti,H2 + !).,H3
=-453,4 kJ/mol+570 kJ/mol+ 1572 kJ/mol = 1688,6 kJ/mol
10. w(H I-I2S04 ) 1
w ( H1H2S03) =
11 . a) CaO
2 t(H) ) M„ H2S04
2 8 ·l,00 =0,0205=2,05 % 98,076
2 A,.(H) M , ( H 2 S03 )
2 ·l,008 =00245 == 245%o 8?_,076 , ,
b) CaCl 2
c) Ca(OH\
d) H 2
e) egzoterrnna
f) CaO(s) + Hp(I) ~ Ca(OH)2 (aq)
12. a) CHp H
H2 l
početno
1- 0,0892 1-0,1784
11
b) c == -
V
C(CH, OH) = O,OS92 mol _ , IOdtn,
n (CO) == 0,9108 mol
0,0892
n(H2 ) == 0,8216 mol
0,0892
0,8216
0,9108
o
O, 00892 mo l dm -3
V =10dm 3 c) K c
3
= [CH 3COOH] =
0,00892 mol/dm
?
[CO]·[H 2 ] -
r
,?
3
0,09108 mol/dm ·(0, 08216 mol/dm
3
=l 4 5 -2d 6 , mo1 m
d) Povećanjem tlaka e) Ravnoteža će se pomicati prema produktima. 13. a) Riječ je o natriju.
b) 2Na(,) + 2HP
I
2 0 2 -+ Na 20(g)
c) m(Na)=n(Na)·M(Na) = u(Na) u(H 2 )
n(Na) = 2 · n(H 2 )
_p(Hz)-V(Hz) · M(Na) R ·T
=1,7g
Zadatci o plinovima 2
1. a) 1 kPa == 103 Pa; 0,15 kPa = 0,15 · 103 Pa= 1,5 · I 0 Pa 3 b) l Pa = 10-3 bar; 1,5 · 102 Pa = l ,5 · 102 · 10-3 bar= 1,5 · 0- bar 3
c) l bar == 103 mbar; 1,5 · 10-3 bar= 1,5 · 10-3 • 10 = 1,5 mbar 2.
V= 100 cm3 1
= 35 °C =} T1 = 308,15 K t == 120 °C =} T2 = 393, 15 K 2 t
1
Kemija u 24 lekcije
289
1 ·Rješenja zadalaka
li 2 = ?. p = konstantan
~-1'; l ·T2 ~ V2 =i,,;· T2 = 100cm -393,15K = 127, 58 cm3. I; 308,15K I; T2 3
Porastom temperature na 120 °C volumen plina će iznositi 127,58 cm3.
3. m(02 )
=
5g
t = 80 °C => T = 353,15 K p = 800 mbar = 0,8 bar = 8 · 104 Pa V(02 ) =? p · V = n · R · T (budući da je zadana masa, množinu tvari n izrazimo preko mase n
=m/M) m·R·T p·V= M m·R-T V M·p
V(O, ) -
! :p
1
1
5g·8,314NmK- mor -353,15K = 5, 73 _10 _3m3 = S, 73 dm3. 32gmo1- 1 ·8·104 Nm-2
Volumen kisika će biti 5,73 dm 3 .
4. m(Al) = 1,2 g t = 35 °C => T= 308,15 K p = 942mbar = 942 · 10- 3 bar= 942 · 10- 3 · 10 5 Pa= 942 · 102 Pa = 942 · 102 Nm-2 V(8i) = ? lz mase aluminija najprije trebamo izračunati njegovu množinu te je postaviti u omjer s množinom vodika (prateći njihove stehiometrijske koeficijente u reakciji). Nađenu množinu vodika uvrstimo u opću plinsku jednadžbu i pronađemo volumen.
2Al(s) + 3H2S04 (aq)-+ Ali(SO4 ) 3 (aq) + 3~
(g)
12 n(AI) = ~ = ' g =0,044mol M 26,98gmor1
n (Al): n(H2) = 2 : 3 => n(H 2 )
3 · n( Al) 2
= 0,066mol
p · V=n · R·T
V(H
) 2
n·R·T p
1
Ovom rekacijom se razvije 1,79 dm 3 vodika. 5 . I = 17 °C => T = 290, 15 K
p = 98,6 k.Pa = 94 200 Pa m(CaC03 ) = 200 g
290
1
0,066mol·8,314NmK· mor -308, lSK 942·10 2 Nm-2 = 0,179 · I0-2 m 3 = 1, 79· 10-3 m 3 = l, 79dm 3
Kemija u 24 lekcije
15. lekcija V(C0 2) = ? m(CaO) = ?
Jz mase CaC0 3 treba izračunati množinu te je postaviti u omjer s množinom C02 (stehiometrijski koefic ijenti u reakciji pokazuju da je to l: J). Iz množine CaCO,., treba izračunati množinu C02" Uvrsti se u opću plinsku jednadžbu i izračuna volumen. t,.
CaC03 CaO + C0 2 m 200g n(CaC03 )= - = =l,998mol M 100,09g mot· 1 n(CaC03 ):n(C02 )=1:l ~ n(CaC03)=n(COi) n(CaC0 3 ) = l,998mol
p·V=n·R·T 1
3
1
V(CO, ) = n · R · T = I, 998mol ·8,314Pa m K- moJ" • 290, 15K p 98600 Pa
0, 04 SS m3 = 48 dmJ
n(CaC03) : n(CaO) = 1 : l ~ n(CaO) = 1,998 mol m(CaO) = n · M = l,998mol ·56, 08 gmol- 1 = l 12,05g Ovom reakcijom nastaje 48 dm 3 uglj ikova(IV) oksida i 112,05 g kalcijeva oksida. 6. m (KC10 3) = 5 g t = 20 °C ~ T = 293, 15 K p = l bar = 105 Pa V(0 2) = ?
2KCI03
t,.
30 2 + 2KCI
-
5 g = 0,04mol 122,55gmor 1 3·n(KCIO 3 ) n(KC10 3 ):n(02 ) = 2 : 3 ~ n(0 2 )= =0,06mol 2 n(KCI0 3)=~=
M
p·V=n·R· T 3
1
V(O ) = n·R-T = 0,006mo1 ·8,314 Pam K· mor' ·293,1 5K 2 p 10000Pa Volumen kisika koji nastaje je 14,6 dm 3 .
O,Ol 46 m3 =l 4 . 6 dm3
7. V(H3) = 5 dm3 == 0,005 m3
p = 1,3 · 10 5 Pa I == 25 °C ~ T = 298, 15 K n(H2) = ? m(Zn) =?
p·V==n·R·T n(H)=p·V = 2
R·T
1,3 -10sPa·0,005 mJ = 026mol 8, 314 PamK- 1mor1 ·298,15K ' Kemija u 24 lekcije
Rješenja zadataka n(Zn): n(H2 )
=3
: 3 => n(Zn) = n (H2 ) = 0,26 mol.
m(Zn )= n. M=0,26mol·65,38gmor = 16,999g 1
Ovom reakcijom nastaje 0,26 mol vodika, a za reakciju je potrebno 16,999 g cinka.
8. p = 1,2 kPa = 1,2 · 103 Pa t = 40 °C=::>T =313,15K M(plina) = 32 g mor 1 = 0,032 kg/mol p=?
m
p ·V=n ·R· T n= M m·R-T p·V=-M- /:V
.. . gustocom , p ·R·T - - (masu 1. vol umen zam1Jen11no p)
p
M
3
2
1
. , = p·M = l,2·10 Nm- ·0, 032kgmol- =O,OlSk m_3 = O,Ol 5 dm_3 P(phn•J R ·T 8,314NmK-I mor 1 ·313,15K g g Plin u posudi ima gustoću 0,015 gdm-3 .
9. Pco, (torr) = 291,4m1r1Hg · -
p(C02 )atm = 291,4torr ·
1 torr I 1r11lll{ g
291,4tor.r
I atm = 0,3834atm 760torr
p ( C02 ).kPa = 0,3834atm ·
101,325kPa ]atm
38,85 kPa
10. p 1= 0,991 atm= 0,991 · 760 torr = 753 torr Vi = V1 P2 =? TI= 296,15 K T2 =373,15K
P1 ·+r- = P2 ·-+'T Pi = P2 *i" . 7; *2 . T2 I; I; T. ~ 373K p2 = Pi .-1. =7:,3 torr ·--=949torr TI 296 K 11 . Navedeno je da je tlak konstantan, a slika prikazuje da pri dvaput većoj temperaturi volumen ostaje isti, ako je količina tvari također konstantna, plinski zakon kaže da bi se volumen trebao dvaput povećati kad se temperatura poveća. Zaključujemo da količina tvari nije konstantna, ako se temperatura dvaput poveća, količina tvari se mora dvaput smanjiti. U reakciji c) se količina smanjuje za dvaput (s 2 mola na I mol).
292
Kemija u 24 lekcije
16. lekcija
16. lekcija 1. 2S02 + 0 2 +:t 2S03 (g} 11rH < O Ravnotežu prema produktima možemo pomaknuti temperature.
povećanjem
tlaka ili sniženjem
2. c(H 2SO4) = 0,25 mol/dm 3 H2 S04 -+ 2H"'· + S04 2-
pH =?
c(H+) = 2 · c(H S04) = 2 · 0,25 mol/dm3 = 0,5 mol/dm3 2
pH =- log
c(H+)
mol/dm
3
=- log O' 5 mol/dm' =- log0,5 3 mol/dm
3. a) Jer kisik podrava gorenje. b) Željezna vuna će izgorjeti uz pojavu intenzivnog svjetla.
c) 3Fe (s)+ 0 2 (g) -+ Fep
4 (s)
d) Nastaje složeni željezov oksid FeO · Fep3 . 4 . a) Boja je smaragdno zelena. b) ~ Mn04 + H+ -+ KM n04 + Mn0 2 + Hp
s.
zeleno ljubičasto o: s o 1- + H 20 -t so;- + 2w + 2e-
1 .3
R: Crp~- + 14W + 6e- ~ 2Cr'- + 7H 2 0 3so 1- + 3H20-t 3SO!- + 6W
+* -
+* - -t 2Cr + 7H 0 3SO;- + ~ + Cr 0 ;- + 141K ~ 3SO!- + ~ + 2Cr + + Jl:11) 3
Crp;- + 14H +
+
2
3
2
3So ;- + Cr20 ;- + 8ff ~ 3SO!- + 2Cr3+ + 4H 20
6 . a) Na2S0 3 + H2S04 -+ S02 + Na2S04 + Hp Nastaje sumporov(lV) oksid. b) Sumporov(TV) oksid je reducens i s bojom iz latica reagira tako da nastaje bezbojni spoj pa su zato latice izgubile boju. c) Otapanjem sumporova(JV) oksida u vodi nastaje sumporasta kiselina. S0 2 (gJ + Hp- H2S03 .
7. Uzorci u obje čaše su pocmjeli od izlučenog ugljika (dokaz dehidratacijskog svojstva sumporne kiseline jer organskim tvarima oduzima vodu). 8.
CuS04 ·5H20
konc. JJ ,SO,
)CuS0 4 + 5H20
9. Kisela svojstva oksida su j ače izražena s povećanj em oksidacijskog broja elementa, pa stoga S03 u reakciji s vodom daje jaču kiselinu. 10. U strukturi leda molekule vode su međusobno povezane vodikovim vezama, svaki je atom kisika okružen četirima atomima vodika (s dva je vezan kovalentnom vezom u molekulu vode, a s druga dva je vezan vodikovim vezama). Raspored atoma je tetra-
Kemija u 24 lekcije
293
Rješenja zadataka edarski, a tetraedri su među sobno povezani i između njih postoje prazni prostori (šupljine) zbog kojih je volumen leda veći od volumena vode jednake mase. Porastom volumena gustoća postaje manja pa led ima manju gu stoću od vode i pliva na njoj.
11. a) Krivulja označava ra vnotežno stanje između dviju faza (uvjete kad su u ravnoteži). b) To je temperatura pri kojoj su kod određenog tl aka sve tri faze u ravnoteži. c) To je temperatura iznad koje se p lin ne može kondenzirati povećanjem tlaka (za vodu je to 374 °C).
12. s (s) + 02 (g) - so2 (g) t:..„H = t:..,.H(S0 ) = -296,9 kJ/mol J 2 2S02 (gl + 0 2 6., H = 2 · 6./f(S03) - (6./f(SO) + 6./f(02)] = - 251.64 kJ/m ol S03 (g) + Hp ( I) --+ H2 S04 CIJ t:..,.H= I\H(H2S0 4) - [6./l(SO} + 6./f(Hp)] =-132,43 kJ/mol. 13. a) n = c · R · T = 1400 mol/dm 3 • 8,314 JK- 1mol- 1 • 298 K = 3467 kPa b) c(Cu2+) = 2 · I 0-5 mol/L
y =c · M
y(Cu 2+) = 2 · I o-5 mol/ L · 63,5 g mol- 1 = 1,27 · I0- 3 g/L R ibe će živjeti u jezeru.
14.
s2- + ttp -
Hs- + ow
s2- može primati H'· i ponaša se kao baza. 15. 4Al (s) + 302 (g)
-+
2Al20 3 (s)
Q = - 279 kJ t:..1 H (A 1p 3) = ? m
n=-
M n(Al) = 0,3335 mol
0= 6. H. n(X) ,
~
y(X)
= t:.. H _0,3335 mol
Q 4 t:..,H = - 3361,45 kJ/mol I'
6. H t:..1 H(Al 2 0 J = ~ = - 1680, 72 kJ/mol
17. lekcija m 1. m(NH4N 0 3) = 50 g ::::} n = M t = 250 °C T = 523,15 K
50 g
= 64 052 g/mol = O, 78 mol '
p = l bar = 105 Pa
V(N2) = '? pV= nRT V(N )= nRT 2 p
2.
294
=0, 78 mol -8,314JK
w(HN0 3) = 62 % 3 POt - I ' 38 g/cm c(HN0 3 ) =? Kem11a u 2d lekcije
1
1
mor ·523,15 K = 0, m 0339 3 105 Pa
17. lekcija
m(X) c(X )
=n(X) = M(X) = V:,1
m0 1
m(X ) · p01 m0 , • M(X)
= w(X) · p
01
M(X)
P„ 3
c (HNO) 3 =
3. a) 2NaN3 -
w(HNO, )·p0 , 0, 62·1380 g/dm 1/d 3 · = = 13 57 mo m M(IiN03 ) 63,018 g/mol ' 2Na + 3N2
b) lONa + 2KN03 - .LSO + 5Nap + N 2 c) Jer je neotrovan i inertan. d) Jer je kernijski reaktivan, nagriza, zapaljiv ...
4.
Molekulska formula
Strukturna formula
··cr
H
:o-H :N=O:
H
Strukturna formula
·o·
H
I li I : O - P - 0: .. I .. NO
Molekulska formula
li
H
N
" "·· .~./
Q:
·o·
o:
H/ " N~
··o·
I li : O - P-H .. I
··o·
..
:O -
li
N·
H
:N = N-Q:
..
:o: li
:o
"
/
~
N ~Q:
5. a) Lužnato. b) HPO42 - + H2O -+ HPO 42- + Off c) Hlo/- + Hp .:! H2P04- + OH l\P0 4- + Hp .::z HPO/ + H3 0 + d)
··o·
H
.. li I :O - P - 0: I I .. H
:g -H
6.
Amonijakje topljiv u vodi. Vodoskok nastaje ulaženjem vode u epruveh1jer se tlak u epruveti smanjio zbog otapanja amonijaka. Vodoskok je dokaz toplj ivosti. Kemijska reakcija: NH 3 (g) + H p(I)-> NH40H (aq)
7.
a) NTI3 (g) + HCl (aq) - NH4 Cl (g) b) Nastaje bijeli dim mnon.ijeva klorida. Kemija u 24 lekcije
295
Rješenja zadataka 8. a) HN0 3 (aq) + Cu (s) ---+ NO (g) + Cu(N03\ (aq) + Hp b) NO je bezbojan plin, slabo topljiv u vodi i neotrovan je.
c) 2NO (g) + 0 2 (g) - * 2N02 (g) Pb(N0 3) 2 - * PbO (s) + N0 2 (gl + 0 2 (g) d) N02 + Hp - HN0 3 + HN0 2
9. a) Sulfatna kiselina je veće gustoće i zato pada na dno, pri čemu uočavamo dva sloja. b) Pojava sroeđeg prstena ukazuje na postojanje nitratnih iona. c) NO + Fe2 + + 5Hp ---+ [Fe(Hp), (N0)] 2 + NO je nastao redukcijom nitratnih iona, ovaj kompleksni pentaakvanitrozilželjezov(ll) ion je dokaz nitratn ih iona. 10. 2NO + 0 2
~
2N02
10 mol
6mol
- 2x - 8,8
-4,6
l,2
1,6
u ravnoteži
[N02J2 (N0 ]2 ·[0 2 ]
-X
o 8,8
8,8 3
(3, 8 mo;/dm )2 = 33, 61 dm 3 /mol (1,2 mol/dm 3 )" · l,6 mol/dm 3
11. b) HN0 3 Jaka kiselina, potpuno disocira.
12. d) P[Ne] 3s2 3p3
13. c) Egzotermnim reakcijama pogoduje niska temperatura. 14. a) Pomiče ravnotežu prema reaktantima.
15. c) 1,8 · 1024. 16. c) udesno.
1. d)
°B i 10Be
1
2. c) CaS0 4
3. a) CH4 (g) + 202 (g) ---+ C02 (g) +2Hp(g) 4. a) Na2 C03 (s) + 2HCl(aq)---+ 2NaCl(g) + ttp(ll + C02 (g) b) Uvođenjem p lina u vodu nastaje slaba ugljična kiselina. c) C02 (g) + H 2 0 (1) ---+ H2C03 (aq) d) m(Na2 C03) = 5 g
V(C0 2) =?
296
Kemija u 24 lekcije
18. lekcija
m 5g n(Na,C0 3) = - = =0,047 mol · M l 05, 99 g/mol n(Na 2 C03 ): n(C0 2 ) =l : I
vo
n = vo
3
V(COi)= n · V: =0,047 mol-22, 4 dm /mol = 1,0528 dm
3
m
5. Ca(HC0 3) 2 Caq) + Ca(OH)z (aq) - 2CaC0 3 (sl + 2Hp Ol 2 -
6 . a) H903- + Hp-+ ttp+ + ~03
k
7.
b) Hif03 + Hp
kb
k
Hp+ + ~Co3kb
M•1MtiN Mt!fflM l•!Đ Mil MMinft iittitđt§l.11 co co2 so2 ~o
X X
X X
X
~ 03 NO
X
Hp
X X
Si0 2
X
Pb02.. 8. a) krvni otrov b) reaktant u reakciji fotosinteze
2. 3. 1.
c) produkt fotosinteze
9.
-
3.
8i0 NH
4
~
HC0 3-
J. 4.
a) U kiselome mediju molekule metiloranža su Bnrnsted-Lowryeve baze (proton-akceptori). b) Molekule vode su u tom slučaj u Bnmsted-Lowryeve kiseline (proton-donori). c) NH3 (g) + HP(t) -
1o. t).H=t:,,i-H ·n(CaC 2 ) v(CaC 2 )
NI-14 \aq) + oH-(aq) MH ·m(CaC2 ) = v(CaC 2 )·M(CaC2 )
11 . H - C == N: vodena otopina će biti vrlo stabilna kiselina.
Kemija u 24 lekcije
297
l
Rješenja zadataka
'
hidrogeniranje
j 1--- k_l_o_r ir_a_n1....·e_---il C 6 H 6 + 3Cl 2 ~ C6 H 6Cl 6 I heksaklor cikloheksan adicija
Ibenzen I supstit11cije nitrirauJ·e
l---------'' - -~
I C H + HN03 1 6 6
H,so,
>C6H 5N02 + H 2 0
I
alkiliranje
c1yY0X)c1 Cl~O
CI
naftalen antracen dioksin c) Stabilnost benzenskog prstena je posljedica delokalizacije 1t-elektrona jer su ti elektroni raspodijeljeni preko čitavog prestena.
2. a) 3-metilheksan h) 1,1-dimetil ciklopropan c) 3-ciklobutil heptan d) 4,4,5-tri metil-hept-2-en e) 3-eti 1-4-metilpent- l -en t) propin g) 3,3-dimetil-4-ciklobutil-but- l-in
3. w(C) = 23,8 % w(H)=5,9 % w(Cl) = 70,3 % N(C) : N (H) : N(CI)
= w(C) : w(H) : w(CJ) = 0,238: 0,059: O, 703 A,(C) A,(H) A,(Cl)
12,01 1,008 35, 45
= 0, 0198: 0, 058 :0,0198 = 1 :3: 1 Rješenje: CH3CI.
4. a)
Br CH2 =
TCHFH CH 2
I
3
+ HBr---+ CH3 -
?CH CH CH 2
2
3
CI\ CH3 b) CI-13 CH2 CH = CHCI·t + KMn0 4 ---+ CKCH CH CH CH, ·'
' I
2
I
·'
OHOH
298
Kemija u 24 lekcije
- - --
-
19. lekcija
5.
a) Tim otopinama se mijenja boja jer će etin obezbojiti bromnu vodu i otopinu kalijeva permanganata zbog adicijskih reakcija na trostruku vezu. b) Kako je etin topljiv u acetonu, razina acetona se polagano podiže u epruveti. c) Nastali bijeli talog srebrova acetilida u četvrtoj epruveti je posljedica vezivanja srebra na acetilidni ion.
6. m(CaC0 3) = 50 g V(C2H2) = ? CaC03 ~ CaO + C0 2 CaO + 3C -+ CaC 2 + CO CaC + 2Hz° -+ C 2H 2 + Ca(OH)2 2 n(CaC0
n(C 2H 2) == 1 : 1 l'/'l 50 ° 0 n(CaCO. ) = - = =0,5 mol , M 100., 09 g/mol n(C2H2 ) == 0,5 mol ) : 3
v°(Cz1"1
2
=n·
)
V,~ = 0,5 mol · 22,4 dm3mol- 1 =
3
11, 19 dm
7. v(ci1-12) = 50dm3 a) m(02) =? 2 C2H2 + 5 0 2 - 4 co2 + 2 Hp n(0
) : 2
n(C2 H2 )
=
5 :2
n(O,) = 5 ·n(C 2H 2 ) = 5, 575 mol
-
m(0
2
)
2
= n · M = 5,575 mol· 32 g/mol = 178,4 g
b) q>(02) = 21 % V(zrak) = ? 3
124,88 dm = 594 6 dm 3 0, 21 '
cp(02) = V(02) => V(zrak) = V(0 2) V(zrak)
=n ·V:~= 5,575 mol · 22, 4 dm mor 3
2 A,.(C) c) w(C CH)= 2 2 ' M,.(C 2 H2 )
1
= 124,88 dtn
3
2 ' 12•01 =0 9226 = 92 26% 26,036 ' '
d) HC = CH + 2[Ag(NH3) 2]0H-+ Ag2C2 + 2Hp +4 NH3
8.
a)~
u
9 . m(C?H
) = 2
('0
b)
c)6CH,
d)o-o
o ,N ~ N O, 300 g => n =
V(Clz) == ?
~ = 11,53 mol M
C2 H2 + 2 Cl2 -+ C2H2Cl 4 n(C1z) : n(C28i) = 2: 1 n(Cl 2) = 23,06 mol Kemija u 24 lekcije
299
V°(Cl2) = n
·vi= 23,06 mol · 22,4 dm moJ- = 516,54 dm 3
1
3
51.6,54 · 0,92 =475,22 dm 3
H H H I
.
I
H
10. H~-C-C,-C.-H 1
H -,,
1
H H
' ,.. C
=
H
CH - CH3 + NaCl +Hp
11 . a) 4-etil-2,3-dimetil-heks-1,3,5-trien b) 2,5-dimetil-heks-3-in c) 1,2,5,5-tetrarnetilciklopent-l,3-dien d) cikloheksan e) benzen t) 3-cikloheksil-4-fenil-heksan. 12. C61\N02 + 3 H 2 -,, Cll5NH2 + 2 H 2 0 13. Cll5NH2 + Hp -,, C6H5NH/ + OH-
14. a) C61\NH2 = 0,15 mol dm- 3 pH = 8,89
c(C6H 5NI\+) = c(Off) = inv - log(l 4 - pH) · m0 = 7,76 · I O~ mol L- 1 c(Cll5NH2) = 0,15 molL- 1 - 7,76 · 10~ mol L- 1 = 0,14999 mol L- 1 b) Prema jednadžbi iz zadatka 13 vrijedi:
15._ K =
X2 0,15 molL- 1 - X
[ C6 H,.NH3+)[0I-r]
[C6H 5NH 2 ]
h
I I
_
(7, 76 · 10-6 )2 -'-----~ mo!L-1 = 4 · .I 0- 10 molL- 1 0,14999
Sažeta strukturna , · Kemijski naziv formula spoja navedenog spo.ja '
Br
A
I
2-brompropan
CH3CHC~ NH2 I
B
C~CHCH3
2-aminopropan (izopropilamin) 1-metiletil benzen
C izopropil
4 b) w(H CH.OH) = . A, (H) ' , M,(CHpl-1)
w(H,CHpCH,)= OH 2.
R-~ - H I
H primarni alkohol
300
O
12,58%
6A,(H) =13,13% M,(CHpCH 3 )
O
~ R-~-H ~ R-~-OH aldehid
karbokisclina kiselina
Kemija u 24 lekcije
----------
-
------
--
-
W. lekcija
o
OH
li
I
R - C - R' -[OJ keton
R-C-R' -[OJ I
H
. oks1.dac1Je .. nema da 1·JnJe
sekundarni alkohol
3. a) Eter se ne miješa s vodom. b) Jod je dobro topljiv u dietil-eteru pa prelazi iz vodenog sloja u eterski sloj. c) Jod se može izdvojiti ekstrakcijom.
4. C20H300.
b)/'y
5. a) C4H100
c)~OH
OH
~
/'vOH
OH
6.
OH
~ Neće reagirati s kalijevim dikromatom jer je on spada u tercijarne alkohole koji ne reagiraju oksidacijskim reakcijama.
7. a)
Na b) RONa~==~
ArX
ttp
HX
RX NaOH '----.-~ H 2S04
NaOH fenol
ArOH
8. b) Jedna ili više - OH skupina su vezane na benzenski prsten. 9. 2CH CHpH + 2Na--" 2CH3CH20 Na + H 2 3 m 10g m(Na)=lOg--" n(Na)=-= =0,435mo1 M 22,99 g/mol n(Na): n(H 2 ) = 2: l _ - n(Na) _ 0,435 mol_ n CH 2 ) - - - - 0 , 217 ::, mo1
2
Jfa(H
) 2
= n · v0 = f/1
2
0,2175 mol · 22,4 dm 3/mol
= 4,872 dm3
10. w(C 2 H 50H) = 35 % 3 Pot = O' 97 0,1/cm c(C}-1 50H) = ? . 3 c(C H OH)= . l = w(C 2 H,OH)·p01 == 0,35 ·970g/dm = 7, 37 mol/dm 3 2 5 M M(C 2 H,OH) 46,068 g/mol
Fenoksidni ion je konjugirana baza. Kemija u 24 lel
301
,I
..
Rješenja zadataka o-Na+
OH
12.a)O+NaOH--o +H,o nallijev fenoksid Fenol reagira i s lužinom za razliku od alkohola koji ne reagiraju s lužinama nego izravno s alkalijskim metalima Na i K. o -Na+ OH
b)o +HCI O +NaCI c) Budući da je fenol slaba kiselina~ on se može iz soli natrijeva fenoksida dobiti reakcijom s jakom kiselinom (HCI).
13. a) i b) nema reakcije, eteri su slabo reaktivni pa ne reagiraju niti s Na niti s NaOH. Eterska funkcionalna skupina ne posjeduje kiseli vodikov atom koji bi mogao reagirati s lužinama. c) CH3CH2 - O - CH3 + Hl - CH3CHpH + CH3CH} Eterska veza se cijepa zagrijavanjem etera s HJ ili HBr.
d) U prvom stupnju se protonira kisik H I
CH3CH2
-9- CH2CH3 + Hl----> C~CH"2-g-c H2CH3 + r+
a jodid-ion je nukleofil koji izaziva odcjepljenje alkohola H I
~
CH3CH2- ~ J CH2CH 3 + r
-
CH3 CH2 0H + CH3CH}
14. a) ciklopropil-fenil-eter b) ciklopentil-metil-eter c) diizopropileter d) fenilmetanol e) a-nafto! t) P-naftol g) 3-fenil-butan-2-ol. 15. a) C2 H 50H0/ 302(g) -2C02 (g) + 3H20CI) b) 2C~OH(I) + 302 (g) - 2C0 2 cg/4Hp0) c) C02 će se dokazati uvođenjem u vapnenu vodu koja se zamuti: Ca(OH)z Cmt) + C02 (gl -
16. a) glukoza vrenje.
17. m(Cll 120 6)
b) C6H 1p 6 =
CaC03 Cs) + H2 0 0 l 2C 2H 50H + 2C02 c) One su katalizator d) alkoholno
500 g
V(CO, ) =? m 500 g n(C 6 Hp0 6 ) = - = = 2, 78 mol M 180, 156 g/mol C 6H 1 6 - 2C2H 50H + 2C02
p
n(C/l 120 6): n(C02) = l: 2 n(C0 2)
= 2 · n(C6H 120 6) = 5,56 mol
0l(CO,) =n · ,i.
302
Kemija u 24 lekcije
vm0 = 124,44 dm3
m(grožđe)
=?
w(g Iuk oza ) =
"đ )
m (groz e =
=
m(glukoza) m(grožde) m(glukoza) w(glukoza)
500
g =5555 5 O 09 ' g
'
2.1..lekcija
18. c) tercijarni alkohol. 19. d) Za fenole je karakteristična reakcija adicije na dvostruke veze u benzenskom prstenu. 20. w(C) = 60 % w(O) = 26,67 % Mr(spoj) = 60 Molekulska formula= ? N (C): N(C): N(C) = w(C): w(H) : w(O) A,(C) A,(H) A,(O)
=__Qi_:O,l 333 : 0, 2667 =O 0499:0 1322 :0 0166=3:8:l 12, O1 l, 008 16 ' ' ' J\lfr(spoj ) 1vfr(C 3H 8 0)
60 = l 60
C„H80 J
Molekulska formula: C H 0 3 8 c HpH propanol 3
1. a) U otopini koja sadrži aldehid pojavio se crvenosmeđi talog bakrova(J) oksida Cup. Aldehidi su reducensi, lako oksidiraju u odgovarajuće karboksilne kiseline. b) U epruveti s propanonom nije došlo do nastanka crvenosmeđeg taloga.
c) 2Cu2 + + RCHO + 40ff _. Cuz° + RCOOH + 2Hz°. aldehid 2. a) Prva epruveta je posrebrila od elementarnog srebra izlučenog na stijenkama epruvete. b) U drugoj epruveti Tollensov reagens nije reagirao s acetonom i nema pojave srebmog zrcala. c) Aldehidi reduciraju ione srebra u elementarna srebro, a pritom oksidirnju do karboksilne kiseline.
o
o
#
#
H O
OH
d) CH -C\ + 2[Ag(NH 3) 2 ]0H _. CH3 - C\ 3
H
li
+ 2Ag + 4NH,~ + H?O -
I
3. CRCH CCR + l-1 C - Mgl - > CH 3 CH.CCR + MgOHI , 2 .}~ .c.1 .} metil magnezijev jodid
CH
3 1 -----y----
1
2-metil-butan-2-ol
4. b) Fonnaldehid je plin bockava mi1isa. 5. d) Ketoni su reducensi pa reduciraju ione srebra u elementarne srebro.
o: li ;
6. CH3 CI·I2 C :C~CH3 ~ CH3CH2 -
'
o
#
HNO
\
OH
o
#
+ CH3 - \
OH Kemija u 24 lekcije
303
Rje~enj~ zadataka Cijepa se veza između karbonilne skupine i susjednog ugljikova atoma. Nastaju dvije molekule karboksilnih kiselina. 7. a) adiciji Redukcijska reakcija je zapravo adicija nukleofila hidrida na karbonilnu skupinu.
8. a) Tvar X je keton. b) Nastat će butan-2-ol. c)
/'J b ih..
9
CH3 -CH2 -C-CH3 ili CHFI\COCI-13
9. a) otopina formaldehida u vodi Otopina metanala (fonnaldehida), HCHO u vodi naziva se formalin.
10. c) oksidacijom metanola Formaldeb.id, metanal je aldehid koji sadrži jedan C-atom, a nastaje oksidacijom primamog alkohola koji također sadrži jedan C-atom, a to je metanol: 2CH3 0H + 0 2 -
2HCHO + 21-Ip
11 . a) 3CH3CHpH + 2~Crp7 + 8H2S04
-
3CH 3COOI-I + 2CriS04\ + 11H2 0 +
2~S04 b) Redoks-reakcije.
lekcija
22.
0 --- --- H-0
//
\
\
//
C - I-I Nastajanje dim era uzrokuje više točke vrelišta. O-H ------ 0 2. a) Na + HCOOH - HCOONa b) Može se istisnuti jačom sumpomom kiselinom: 2HC00Na + H2S04 - 2HCOOH + Na2S0 4 c) Koristi se pri bojenju tekstila, za dezinfekciju vinskih bačava. d) HCOOH 1-1,so,.,. CO + Hp
1. H - C
b) U vodi i etanolu.
c) U biljkama: kupus, špinat, blitva, rajčica. d) 2KMn04 + 5H 2Cp4 +3H2S04 - K2S04 + 2MnS04 + !OC02 + 8~0.
4. c) karboksilna kiselina
oy
HOcJO
o Acetilsalicilna kiselina je i karboksilna kiselina i ester.
5. HCOOH + CH3CI-12 CI-IpH - HOOCH2 CI-I2 CH 3 + Hp Ravnotežu možemo pomaknuti udesno smanjivanjem dodatkom H2 S04 koja veže vodu.
količine
vode, a to postižemo
6. d) proteina.
304
Kemija u 24 lekcije
- - -- - -
-
7.
COOH
p
g
I
COOH
CH3CH?C
-
a
CH3COOCH3
00H
NH2
p
COOH
d
b
\
CHFH2C,
f
CI
oli
Oc'c1 H 20
8.
- e-
CH,COOH ,
C,
o
li
R- C\
+HCl
OH
o
li
R-C
R'OH
\
o
li
OR'
CI acil-klorid
NH3
ttp
oli
o
li
2R - C
\
OH
o
R'OH
o
o li
R-C
I
.
R - C - NH/ NH4C l
o li \
+HCl
R- C\
li
+ R- C
R- C
\
\
0-R'
R- C
~
o
NH3
anhidrid
o li
R-C\
OH
+RCOONH 4
NH2
Naziv
Formula
etan
CH3 - CH3
kloretan
C2 H 5Cl
C
etanol
C 2H 50H
D
etanska kiselina
CH3COOI-I
E
etil-etanoat
CH COOCH2CH3
9. . .
10. w(CH3COOH) = 0,09
3 uldm3 P01 = I bo/cm == 1000 5' c(CH 3COOH) = ?
3
c= w·p
M
,
c(CH COOH) = 0, 09 · lOOO y dm' = 1,5 mol/dm3 3 60, 052 g/mol
Kemija u 24 lekcije
305
-
-- --
-
-
Rje.šenja zadataka
11. Može. CaC03 + 2CH3COOH- (CH 3COO\ Ca + C02 + Hp. 12. b) octena kiselina. 13. b) Esteri nastaju hidrolizom. 14. metil-etanoat
b
natrijev rnetanoat
a
b) ester
C
c) acil-halogenid
metanoil-klorid
a) sol
15. Nastaje octena kiselina. C2H 50H + 0 2 -
CH3COOH + Hz°.
16. b) To su sol i v iših masnih kiselina. Sapuni su po strnkturi soli viših masnih kiselina, npr. CH/CH2) 16COONa.
17. a) CI-1 3- COOH + CH3 - CHpH
lz samog naziva tvari, etilacetat, može se zaključiti da nastaje iz etilnog alkohola (etanola), CH3 CHpH i octene (acetatne) kiseline, CHlCOOJ·I.
18. b) estera. Po svojoj strukturi masti su esteri glicerola i masnih kiselina. 19. d) 2CH3-CHz°H. Oduzin1anjem molekule vode dvjema molekulama etanola nastaje eter (dietileter): CH3CH20H + HOCH2CH3 - CH 3CH2 -0- CH2CH3 + Hp. 20. c) mliječna kiselina. Mliječna kiselina ili 2-hidroksipropan kiselina.
21. a) aceton i kalcijev karbonat. Ca(OOCCH:,\ - CH3COCH3 + CaC03 . 22. a) l mol.
8i -
CHiCH2 \CH = CH(CH2) 7COOH + CH/CH2) 16COOH Za hidrogenaciju (spajanje s vodikom) jedne molekule (jedne dvostruke veze), odnosno jednog mola oleinske kiseline potrebna je jedna molekula, odnosno l mol vodika. n(ol. kis.) = l mol n(H2) =? n(H2) = n(ol. kis.) = l mol. 23. c) etanol. CI\COOCH2CI·I3 + I-120 - CH3COOH + CH3CH20H etanol.
24. d) spoj nastao dehidrogenacijom sekundarnog alkohola. 25. a) sadrži oleinsku kiselinu. Jestiva ulja su esteri alkohol.a g licerol.a i nezasi ćenih masnih kiselina kojima pripada i oleinska kiselina. ~~~
23. lekcija
1 . b) saharoza.
2. c) 3.
CHpH I
C=O 1.
HO - C - 1-1 I
U molekuli fruktoze postoje tri atoma ugljika kojima su sva če tiri vezana atoma ili skupine atoma razli čiti (*). Takve atome nazivamo asimetričnim uglj ikovim atomima ili kiralnitn centrima.
H- c·-oH I•
H - C -OH I
CHpH
306
Kemija u 24 lekcije
-
~~~~~~~--
-
-
- -
, . 24. lekcija 3. c) glukoza. Škrob i celuloza su polisaharidi sastavljeni od međusobno kemijski vezanih molekula glukoze što znači da hidrolizom nastaje glukoza.
4. b) monosaharid. Molekule fruktoze ne mogu se razgraditi na jednostavnije molekule šećera što određuje
da je fruktoza monosaharid.
5. d) izomema je s maltozom. Saharoza i maltoza imaju istu molekulsku formulu a različite strukture. Molekulska formula ovih disaharida je C12H22 0 11, s tim da se molekula saharoze sastoji od molekula glukoze i fruktoze, a molekula mall:oze od dvije molekule glukoze.
6. a) sastavni je dio maltoze. 7 . d) hidrolizom s kjselinama daje invertni šećer. Naziv "invertni šećer" za smjesu Dglukoze i L-fruktoze potječe od eksperimentalnog podatka da se pri hidrolizi saharoze smjer optičkog skretanja reakcijske smjese mijenja od(+) do(-). 8. d) glukoza. Glukoza ima aldehidnu skupinu reduktivnih svojstava pa s Febli.ngovim reagensom, blagim oksidansom daje pozitivan test.
9. c) 3.
10. a) l b)2 c)5. 11 . d) dietil-eter. 12. a) saharoza b) glukoza c) škrob. 13. a) S jodom škrob daje intenzivno plavu boju. b) Molekula joda se ugrađuje u spiralnu strukturu amiloznog lanca što uzrokuje jaku apsorpciju određen ih valnih duljina svjetlosti. c) Hidroliza škroba se postupno događa uz dodatak razrij eđene sumporne kiseline pa zato početru uzorak pokazuje pozitivnu reakciju s vodenom otopinom 12/Kl, a zavisno o trajanju rudrol ize slabi da bi na kraju bila negativna reakcija kad škrob potpuno hidrolizira do D-glukoze. 14. c) aldehid ili neki reducirajući šećer.
15. a) Saharoza nije reducirajući šećer. b) Dolazi do reakcije hidrolize i molekule saharoze hidroliziraju na glukozu i fruktozu. c) Glukoza je reducirajući šećer. Dodatkom otopine bakrova(TI) sulfata nastaje crvenosmeđi talog bakriva(T) oksida koji je dokaz da je nastala glukoza. 16. Nastaje crvenosmeđi talog bakrova(I) oksida koji dokazuje prisutnost reduci.rajućeg šećera. Taj šećer je laktoza ili mliječni šećer, disaharid sastavljen od dviju molekula monosaharida, glukoze i galaktoze.
17. d) Škrob se sastoji od razgranate amiloze i linearnog amilopektina.
24. lekcija 1 . To je ksantoproteinska reakcija. Žuta boja potječe od produkata nitiiranja on.ih aminokiselina u lancu koje sadrže benzenske jezgre. To su fenilalanin, tirozin i triptofan koje su prisutne u većini proteina. Kemija u 24 lekcije
307
Rješenja zadataka · 2. a) Pojavit će se plavičasto-zeleni talog bakrova(II) hidroksida. b) Biuret-reakcijaje karakteristična za peptidnu vezu.
3. 2HP2-+ 2Hp + 02. 4. b) Proteini koji sadrže sumpor daju crni talog s npr. olovnim ionima. 5. d) otopina amonijeva sulfata. 6. a) U lužnatoj otopini se apsorpcijski maksimum pomiče prema većoj valnoj duljini vidljive svjetlosti.
'ocO
R-yH-COOH
1. R-CH-coo- Y ~H+ 3
NH/ CI-
(sol)
N,'' YćfO~R-CH - COO-Na+
+ Hp
I
NH,
(sol)
8. a) Polinukleotidni lanci dvostruke uzvojnice orijentirani su u suprotnom smjeru. 9. e) Hemoglobin se sastoji od 2 alfa i 3 beta lanca i 4 prostetske skupine.
40 07 CH3 I
H2C=CH
I
CH, li
-
CH,
~
8z
: (»
OOC-C-CH2
H, CH2-e=-coo
HN_f_CI-1 10. a) Molekula ima 2 kiralna atoma, C-2 i C-3 (a i
Bugljici).
b) Broj optičkih izomera = 2", (n = broj kiralnih atoma) = 4. 11. Pretpostavka je daje molekulska masa po aminokiselinskom ostatku 110 (prosječna molekulska masa slobodnih aminokiselina CM,.= 128) umanjena za molekulsku masu vode). Prema tome lv~. proteina od 682 aminokiseline bit će: 682 · llO = 75 000 Da.
12. d) fehlingova reakcija. 13. a) ljubi často obojenje. 14. c) keratin.
15. a) kolagen.
308
Kemija u 24 lekcije
Na državnoj maturi kemija je izborni predmet za učenike koji moraju zadovoljiti upisne zahtjeve odabranog fakulteta !PMF-a"/ Medicinskog i srodnih fakuf teta1 Fl(JT-a1 Farmaceutsko-biokemijskog faku!teta1 PBF-a1 Agronomskog fakulteta i drugih) . Ovim priručnikom obuhvaćeno je cje[okupno gimnazijsko nas tavno gradivo s ciljem omogućavanja lakšeg svlad,wanja i uspješnog polaganja ispita iz kemije na državnoj maturi. Priručnik
je podijeljen u 24 lekcije1 a svaka se sastoji od teorijskog dijela i zadacaka za vježbu. Na kraju priručnika ponuđena su cjelovit.a rješenja zadataka te tablice koje su neophodne za učenje i razumijevanje kemije. Za postiz,rnje fLmkcionalnih znanja nije dovoljno s,1mo pamćenje kemijskih formula i rješavanje numeričkih zadataka1 već je izuzetno važno njihovo razumijevanje pa su zbog toga brojni zadatci popraćeni ilustracijam,1. Priručnik će vam pomoći
d,1 ponovite i nadopunite svoja znanja iz kemije1 uspješno riješite ispit iz kemije na državnoj maturi te nastavite željeno školovanje.
