MIN|STERUL EDUCAT|EI, CERCETARil gl TTNERETULUI

Luminila VLADESCUlrinel Adriana BADEALuminita lrinel DOICIN

Maria NISTOR

CHIMIEC1

Manual pentru clasa a XII-a

CUPRINSCAPITOLUL 1.CnsrrrcnneR REAcTITLoR cHrMrcE ........... 5Exerciliigiprobleme .....12Iesfe ......... ...,...............12

CAPITOLUL 2.RenclrAcrDo-BnzrcE ......... 13

2. 1 . Cupluri acid-bazd conjugatd ....................... 1 32.2. Amfolili acido-bazici ................. 16

2.2.1. Calaiderul de amfolit acido.bazic al apei ... 162.2.2. AlIi amfolili acido-bazici ..... 1B

2.3. Reacfii acido-bazice ..................202.3.1.Tdria acizilor gi a bazelor .....-................ 202.3.2. Aplicalii practice ale cunoagterii valorilorpK, (sau pKn) ale cuplurilor acido-bazice ...... 22

2.3.3. TitrSri acido-bazice .............252.4. Calcularea pH-ului unor soluliide acizi gi de baze ....... 30

2.4.1 . Calcularea pH-ului soluliilorde acizitari gi de bazetari ............ 302.4.2. Calcularea pH-ului pentru soluliide acizi slabi ...,.,..... ...................... 31

2.4.3. Calcularea pH-ului pentru soluliide baze slabe ......... ..................... 31

2.5. Reaclii intre acizi sau baze gi sdruri ...........322.5.1. Reaclii dintre o sare gi un acid sauobazdtare........... .....322.5.2. Hidroliza sdrurilor ............... 342.5.3. Solu{ii tampon de pH ......... 38Exercilii gi probleme .....................45Iesfe ......... ................46

CAPITOLUL 3.Renclr DE oxrDo-REDUcERE ........ .........47

3.1. Reac{ii redox. Recapitulare .....473.2. Electroliza ............. ...".""............49

3.2.1. Electroliza metodd de oblinere ametalelor ..-.-.............. 51

3-2.2. Electroliza metodi de oblinere anemetalelor .."............ 533.2.3. Legile electrolizei .,............. 55

3.3, Celule e|ectrochimice .................................. 583.3.1. Pila Daniell ...... 583.3.2. Potenlialul celulei electrochimice .......... 603.3.3. Elemente galvanice - surse de energie .... 653.3.4. Titarea redox ...-.................. 67

Exercilii giprobleme ...... 69Iesfe ......... ...................70

CAPITOLUL 4.Renclrr DE coMpLEXARE .............. .........71

4.1. Formarea combinaliilor complexe ............... 71

4.1.1. Notiunide bazd despre alcdtuireacombinaliilor complexe .................714.1.2. Oblinerea experimentald a unor combinaliicomplexe ...................734. 1 .3. Stereochimia combinaliilor complexe.lzomerie geometricd ....................77

4.2. Aplicalii practice ale echilibrelor decomplexare ..................79

4.2.1. Combinalii complexe cu rol esenlialin viala plantelor gi animalelor ................ ........794.2.2. Aplicali i i nd ustriale ale combinali i lorcomplexe ................... 804.2.3. Aplicalii ale combinaliilor complexe inanaliza chimicd ....1....81

Exerci,tiigiprobleme ..... 99Iesfe ......... .................100

CAPITOLUL 5.Renclrr EXoTERME. REAcTI ENDoTERME ................. 101

5.1. Efecte termice in reaclii chimice ............... 101

5.2. Mdsurarea efectelortermice ale reacliilor .... 1035.2.1. Cdldura de dizolvare ............................ 1 045.2.2. Cdrldura de neutralizare ...................... 1 055.2.3. Cildura de combustie ......................... 1 065.2.4. Entalpia de reaclie ........... 107

5.3. Legea lui Hess .... 1095.4. Energia in sistemele biologice .................. 110

5.4.1. Rolul ATP 9i ADP ......... .... 111

5.4.2. Arderea zaharurilor ................ ............, 112Exercilii gi probleme ...115Iesfe .......,. .................. 116

CAPITOLUL 6.Rrnclr LENTE. REAcTT RAeTDE .....,......117

6.1. Durata reac{iilor chimice ........ 117

6.1.1. Teoria ciocnirilor ............... 1196.2.Viteza de reacfie .................... 119

6.2.1. Legea vitezei .................... 1216.2.2. Factori care influenleazd viteza dereaclie ..................... 1246.3. Mecanisme de reaclie ........ 131

6.3.1. Mecanisme de reaclie prin intermediariinstabili, radicali liberi. Reaclii in lanf ............1326.3.2. Mecanisme de reacfie prin intermediariinstabili, ioni ............ ................... 133

Exerciliigiprobleme ... 138Iesfe ......... ....."...........139Exercili i gi probleme recapitul ative .................. 1 40Teste finale .................141

Anexe ........142Bibliografie ................. 143Rezultate la exercilii, probleme gi fesfe .............. 144

Copitolul ICLASIFICAREA

REACTIILOR CHIMICEt

Sistemele de reaclii chimice sunt foarte diverse gi sunt prezentein toate procesele care au loc in naturd, in viala 9i activitatea oame-nilor, in toate tipurile de industrii, in agriculturi; multe dintre ele suntrdspunzdtoare de modificdrile apdrute in mediul ?nconjuritor.

Sisfeme/e de reaclie pot fi clasificate in diferite categorii, in funcliede criteriul care este luat in considerare.

Pe baza cunogtinlelor dobindite, poli clasifica sistemele chimicestudiate la lecliile de Chimie,ludnd in considerare urmdtoarele cri-terii generale.

# DUPA MODUL iN CERT SE REALIZEAZA

TRANSFORMAREA ELEMENTALA A REACTIVILOR iN

PRODU$T DE REACTTE

Prima clasificare a reacliilor, pe care ai Tnvdlat sd o faci incd dela inceputul studiului chimiei, imparte reacliile chimice in 4 tipuri ge-nerale (vezi fig. 1.1):

. reaclii de combinare;

. reaclii de descompunere;

. reaclii de inlocuirei

. reaclii de schimb sau de dubla inlocuire.Citeva exemple de reaclii pe care le-ai efectuat in laborator, la

lecliile de chimie din anii treculi, ilustreazd aceastd clasificare infrg. 1.2 a-c.

Reactiide combinare

Ap,aGe* * fu, '&,fuReacfii de descompunere

&-&.tu&Reactii de inlocuire

&*fu%.*ffi*&*fuReactii de schimb

&fu.%,fu*W*'.&il

-l!'+'=j lailct""i'li

Fig. 1.2. Ilusffarea celor 4 tipurigenerale de reac,tii chimice:

a. reaclie de combinare: Mg+O2;

b. reaclii de inlocuire:1 - Cu+HNOr; 2 - Fe+CuSOa;

c. reacfii de schimb:1 - NaCl+ABNO:l2 - CuSO4+KOH.

1.

c.

1.

REAcTiI

ct{I

MI

cE

g TERMENISi

ffilIMPORTANTI:i!t

r.4 reversibil/

" ireversibil;. . omogen/ eterogen;

d endoterm/ exoterm;

Fig. 1.1. Clasificarea general5: 4 tipuri de reaclii.

ti'i,qi5r++:li{

@ oupA pRopoRTrR ir.r cRRe se cAsesc spEcnLEcHtMtcE REACTTV| 9r PRODU$| DE REACTTE, LA

ECHILIBRU

Ai invdlat in lecliile de chimie ci, toate procesele care au loc innaturd, industrie sau in laborator, sunt procese de echitibru. in anu-mite condilii, bine precizate, se atinge starea de echilibru.

ACTIVITATE EXPERIMENTALAMod de lucru. Pe masa de lucru se gdsesc: un stativ cu eprubete nu-

merotate qi sticlule cu dop, etichetate, care conlin solulii I M ale reactivilorpe care ii vei folosi in experienlele urmdtoare.

1. Toarnd in eprubetele 1 qi 2: 5 mL solulie deK2Cr2O1, iar in eprubetele3 qi 4: 5 mL solulie de K2CrOa; ?n eprubeta 2 adatgd, in picdturi, solufie de

NaOH, iar in eprubeta4 adangd,in picdturi, solulie de HCl, pdnlla schim-barea complet[ a culorilor; compari culorile soluliilor din eprubetele 1-4;continui experienfa, adiugAnd acum, in picituri, solufie de NaOH ineprubeta 4 gi solulie de HCI in eprubeta 2.

2, Toarnd in eprubeta 5:2 mL solulie de BaCl2 Ei adaugd 3-4 piciturisolulie de H2SOa. Noteazd observafiile in caiet.

Observalii.1. Culoarea soluliei din eprubeta 2lacare s-a adiugat NaOHdevine identici celei din eprubeta 3; culoarea soluliei din eprubeta 4la care

s-a adiugat HCI devine identici celei din eprubeta 1; prin adiugare de acidqibazd, culorile solu{iilor se schimbS. 2. Apare precipitat alb.

La dizolvarea in apd, sarea dicromat de potasiu disociazd punand

in libertate, in solufie, ionii K* gi CrrOl-. intr-o solulie apoasi de

Fig. 1.3. Solulii apoase de

K2Cr2O7 qi K2CrOa in mediiacido-bazice diferite:

I - solulia deK2Cr2O7 + NaOH;2 - solulia de K2CrOa + HCl.

Fig. 1.4. Sulfatul de bariu este

greu solubil chiar in solu{iiacide.

6

dicromat de potasiu se gesesc, atdt ioni dicromat CrrOl , cAt gi ioni

cromat, CrOl , datoritd stabilirii echilibrului:

CrrOl- +HrO P2CrOl- +2H. (1.t).

Reacliile chimice care, in anumite condilii de lucru, pot decurgein ambele direclii sunt reactii reversibile.

ln cazul unei reaclii reversibile se gasesc prezente in sistemul dereaclie toate speciile chimice participante la echilibru.

Echilibrul (1.1) este un echilibru dinamic (vezi obervaliile din ex-perienla 1):

- daci la sistemul aflat in stare de echilibru se adaugd o bazl,aceasta consume ionii H* formindu-se ape 9i sistemul (1.1) se de-

plaseazi in direclia formdrii de ioni H* 9i CrOl-, (reaclia ------+),p6nd cAnd tot dicromatul se transformd in cromat (vezi fig. 1.3);

- daci la sistemul aflat in stare de echilibru se adaugi un acid,concentratia de ioni H* cregte, dep5gegte valoarea impusd de cons-tanta de echilibru 9i sistemul (1.1) se deplaseazd in direclia formdriide ioni CrrOl- (reacfia <-), pAnd c6nd tot cromatul se transformdin dicromat (vezi fig. 1.3).

in a 2-a experienld din activitatea experimentald s-a observat ci,in urma reactiei dintre BaCl2 gi H2SOa, se formeazi un precipitatgreu solubil in api, chiar in mediu acid (vezi fig. '1.4):

BaCl, + HrSO, -+ BaSOo J + 2HCl (1.11).

Reacliile care, in anumite condilii de lucru, se desfdgoard numaiintr-o direcfie se numesc reac,tii ireversibile.

O aplicalie practici a faptului cd sistemul de reaclie (1.11) estecomplet deplasat spre dreapta (are loc numai reaclia -------+) estefolosirea sulfatului de bariu in medicind: pacienlii cirora urmeazd sili se facd o radiografie a aparatului digestiv, trebuie sd bea 200 mLde suspensie apoasd de sulfat de bariu, pentru vizualizarea acestuia.(Dacd ar avea loc in organism 9i reaclia <- , efectul ar fi letal,deoarece se gtie cd ioniide Ba2* aclioneazd ca o otravi puternici).

Dupa proporlia in care se gdsesc speciile chimice: reactivi gi pro-dugi, in sistemul de reac,tie la echilibru, reacliile chimice se impart indoud categorii: reaclii reversibile gi reaclii ireversibile.

* oupA CALDURA DEGAJATA SAU ABSoRBITAiru nenclre

ACTIVITATE EXPERIMENTALAMod de lucru. 1. Efectueazd reacliile unor metale cu apa (experienle

t'dcute in clasa a IX-a). a) intr-un pahar Berzelius toarnd apd gi introdu omici bucalici de Na sau de K, proaspdt tdiate gi uscate cu hdrtie de filtru.t,4tenlie! Reacliile se executd sab ni;d, in prezenla profesorului!); verificdremperatura paharului. b) Repetd experienla cu o bucdlici de Ca. c) Repetd

erperienla cu bucdlele de Mg; incdlzegte paharul laflacdra unui bec de gaz.

2. Efectueazd reactia de oblinere a acetilenei din carbid gi ap6, folosindinstala{ia din fig. 1.6 qi reac{ia de oblinere a etenei prin deshidralareaeta-nolului, folosind instalalia din fig. 1.7 (experienle fdcute in clasa a X-a).

Observalii.l. a) - b) K qi Ca reaclioneazi violent cu apa (vezi fig. 1.5

iz, b) gi paharele se incdlzesc.c) Mg nu reaclioneazdcuapala rece, darreaclioneazd laincdlzire (vezi fig. 1.5 c ). 2. Acetilena se degajd imediat inurma reacliei dintre carbid ;i apa (fig. 1.6); pentru deshidratarea etanoluluieste necesardincdlzirea amestecului de reaclie (fig. 1.7).

Unele sisteme de reaclie au nevoie de incilzire sau chiar de tem-peraturifoarte ridicate, pentru ca reaclia sd aibd loc; de exemplu: re-aclia magneziului cu apa, reaclia de descompunerea termici a al-canilor, deshidratarea alcoolilor. Astfel de reaclii, in care se absoarbe(se consumd) energie sunt reacffi endoterme.

Sunt numeroase gi reacliile care se produc la temperatura ca-merei; unele dintre ele sunt violente gi vasul de reaclie se incil-zegte; de exemplu, reacliile cu apa ale: metalelor alcaline gi calciu-lui, acidului sulfuric concentrat, carbidului. Astfel de reaclii, ?n carese degajd energie sunt reaclii exoterme.

Reacliile chimice se clasrTrcd, in funclie de cdldura absorbitd saudegajat*, adicdt dupd efecfele termice care insofesc reactia in: reactiiendoterme gi reac{ii exoterme.

Exerci!iu

'ffiexempledereac!iichimice:a)reversibile;b)irever-sibile; c) endoterme; d) exoterme.

.::;;;.,:,;:;|l:::t b

,.\':i

'**i. ir,

**W

Fig. 1.5. Reacliile unor metalecu apa: a. potasiu;

b. calciu; c. magneziu.

Fig. 1.6. Acetilena se obline inlaborator prin reaclia dintre

carbid qi api.

Fig. 1.7. Reac{ia de deshidratare

a etanolului are loc numai dup[incdlzire la 170"C, in prezen{i

de acid sulfuric concentrat.

Fig. 1.8. Reacfiile deprecipitare cu NaOH a ionilor

de fier:a - Fe (III); b - Fe (II).

Vei invdla despre reactiile chimice, din punct de vedere al efec-telor termice: absorblie sau degajare de cdldurd, in capitolul 5 dinacest manual.

* oupA VFEZA DE STABILIRE A STAruIDE ECHILIBRU CHIMIC

ACTIVITATE EXPERIMENTALAMod de lucru. l. in eprubeta I toamd,l mL solulie de FeCl3 ;i adaugd

2 mL NaOH . 2. in eprubeta Z, toarnd 1 mL solulie de FeSOa i, uauugd, ZmL NaOH; observd, in timp, culoarea precipitatului format. 3. in eprube-tele 3 ;i 4 toarnd: 1 mL solulie de FeSOa I M,3 mL H2SOa Z0% ;i 0,5 mLsolulie de KMnoa 0,r M. Aqteaptr pulin sau incilzeqte eprubeta 4; dupddecolorarea solufiei adatgd, in picdturi, solu{ie de KMnOa agitdndeprubeta dupi fiecare picdturi.

observalii.l. Se obline imediat un precipitat brun (vezi fig. 1.g a). 2. Seobline imediat un precipitat alb care, dup6 c6tva timp devine verde inchisgi apoi brun-roqcat (vezi fig. 1.8 b). 3. Solu{iile din eprubete 3 Ei 4 secoloreazd in roz-violet la prima piciturd de permanganat addugatd; soluliadin eprubeta 4 devine incolord dupd un timp mai scurt dacd se incdlzegte gifiecare nou[ piciturl de KMnO 4 addugatd se decoloreazl.

Unele reaclii au loc cu vitezd mare, produsul de reaclie obser-v0ndu-se imediat, de exemplu: formarea precipitatelor de BaSoa,Fe(oH)3, cu(oH)2, reactia metalelor reactive cu acizi, reactiile me-talelor alcaline cu apa.

Astfel de reactii sunt reactii rapide.in alte cazuri este nevoie de un timp maiindelungat pentru stabi-

lirea echilibrului; de exemplu:- fierul (ll) din precipitatul alb de Fe(oH)2 se oxideazd la fier (lll),

formdndu-se treptat, in timp, un precipitat verde care contine Fe(ll)9i Fe(lll) giin final, precipitatul de Fe(OH)3 brun-rogcat;

- reaclia de oxidare a fierului (ll) cu permanganat, in mediu acid,nu are loc imediat; este nevoie de timp, pentru a se forma o cantitatemicd de ioni Mn2*, dupd care reaclia decurge rapid; ioni Mn2* cata-lizeazd reaclia redox.

Astfel de reactii sunt reacfii lente.ln majoritatea cazurilor, pentru mirirea vitezei de reaclie, trebuie

si se optimizeazd condiliile de lucru prin: cregterea temperaturii,addugarea unor reactivi, folosirea de catalizatori.

Reacliile chimice se clasificd, dupd viteza de desfdgurare a reactieiin: reac{iilenfe gi reactii rapide.

ExercitiuZ 1. Scrie 3 exemple de reaclii rapide.

2. Pe baza cunogtinfelor de Chimie din clasa a X-a, se cere:transcrie pe caiet reacliile de la punctul a) 9i scrie in dreptulfiecdreiacatalizatorul de la punctul b), pe care il consideri potrivit pentrufiecare reaclie. a) 1 - clorurarea benzenurui; 2 - nitrarea benzenului;3 - hidrogenarea totald a acetilenei; 4 - izomerizarea butanului;

5* - oxidarea benzenului gi naftalinei cu oxigen; 6*- acilarea benze-nului; b) H2SO4, Ni, FeCl3, AlCl3; VzOs*.

Rezolvare:2. 1-FeCl3i 2-H2SOa; 3-Ni; 4-AlCl3; 5*-V2O5i6. - AlCl3.

Veiinvdla despre reacliile chimice, din punct de vedere al vitezeicu care au loc, in capitolul6 din acest manual.

@ OUPA NUMARUL DE FAZE CARE SE GASESC

ir.r srsremuL DE REAcTTE LA EcHTLIBRU

ACTIVITATE EXPERIMENTALAMod de lucru. f. in doud eprubete toarni cAte 1 mL solulie de CuSOa

I M qi apoi cdte 2 mL solulie KOH (sau NaOH) 1 M;in eprubeta 2 adaugd,,

in picdturi, solulie de NH, 5o/o, agitdnd eprubeta, pdnd la dizolvareacompleti a precipitatului. 2. Introdu intr-o eprubetd o cantitate mici de

piatrd de var (CaCO3) qi in alta c0teva granule de zinc, peste care toarnisolulie de HCl 1%.

Observalii.l. Se obline un precipitat albastru; precipitatul din eprubeta

2 se dizolvd in exces de amoniac (vezi fig. 1.9 a). 2. in eprubete se observ[efervescenfd: se degajl gaze incolore (vezi fig. 1.9 b).

in unele sisteme chimice, atAt reactivii, cOt gi produgii de reacliese gesesc in solulie, la stabilirea echilibrului; de exemplu:

CuSOo +2NaOH +4NHu p [Cu(NH.)+](OH)z+NarSOo (1.lll).colora{ie albastru intens

in sistemul aflat la echilibru existd o singurd fazi.

Exerci!iuTTrb-A;ililrul chimic de oblinere a amoniacului din azot 9i hidro-gen gi precizeazd numdrul de faze din sistem.

Echilibrul chimic in care toate speciile chimice implicate se gdsesc

intr-o singurd fazd este un echilibrul omogen.

Existi gi reaclii care au loc in solulie, dar din care rezultd produgi

de reaclie in stare solidd sau in stare gazoasi; de exemplu: reactiadintre solulie de HCI 9i carbonat de calciu sau zinc, precipitarea

BaSOa sau Cu(OH)2:

Zn+2HCl -+ZnClr+Hrt

CuSOo + 2NaOH -+ Cu(OH)2J +NarSOo

(1.tv),

(1.v).

precipitat albastru

in sistemul de reaclie existd doud faze.

Echilibrul in care cel pulin una dintre substanlele participante lareaclie se gdsegfe intr-o fazd diferitdt de celelalte, esfe un echilibrueterogen.

Reacliile in care se formeazd compugi greu solubili in mediul dereaclie, se numesc reaclii de precipitare.

Exercitiu7ffi"xemple de echitibre chimice: a) omogene; b) "tTg:E

.= .l' ,' .\:' *:r'{

: li .1,.- l.\_

#,Hs& ' ;o,r4ac;f,r I I tl. \...-.*-'' crsori til

Fig. 1.9. Reaclii in mediuomogen qi reaclii in mediu

eterogen:

a. reacfa Cu2* cu KOH gi NH3;

b. reaclia Zn cu HCl.

W

. ,.:,l.lr,$li ,'.

r;[_,]"-lI :-'ft