ΧΗΜΕΙΑ Β ΛΥΚΕΙΟΥ ΓΕΝΙΚΗΣ ΠΑΙΔΕΙΑΣ, 2 o 3 ο ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1. Επανάληψη σε βασικές έννοιες Τι είναι το 1 mol μιας χημικής ουσίας; 1 mol μορίων μιας χημικής ουσίας έχει μάζα τόσα γραμμάρια (g), όση είναι η σχετική μοριακή μάζα (Μr) της ουσίας. Παραδείγματα 1 1 mol Ο 2 (σχετική ατομική μάζα Ο, A r = 16) ζυγίζει Μ r= 2 x A ro = 2 x 16 = 32 g 1 1 mol H 2SO 4 (σχετικές ατομικές μάζες H, S και Ο 1, 32 και 16 αντίστοιχα) ζυγίζει M r =( 2 x 1) + (1 x 32) + ( 4 x 16)= 98 g 1 1 mol C 3H 6 (σχετικές ατομικές μάζες C και Η, 12 και 1 αντίστοιχα) ζυγίζει M r =(3 x 12) + (6 x 1) =42 g. Ο αριθμός των mol (n) μιας ουσίας ισούται με το πηλίκο της μάζας m προς τη σχετική μοριακή μάζα M r. n= m/ M r Τι ονομάζεται γραμμομοριακός όγκος (V m ) μιας ουσίας; Ονομάζεται ο όγκος που καταλαμβάνει το 1 mol της ουσίας, σε πρότυπες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας (P=1 atm, θ = 0 ο C), STP. Ο γραμμομοριακός όγκος των αερίων έχει τιμή V m =22,4 L σε STP. O αριθμός των mol (n) μιας αέριας ουσίας που βρίσκεται σε συνθήκες STP ισούται με το πηλίκο του όγκου που καταλαμβάνει (V) προς το γραμμομοριακό όγκο (V m). n=v/v m Παραδείγματα: 1.1 Πόσα mol είναι τα 180 g αιθανίου (C 2 H 6 (A r C= 12, Ar H=1); M r = (2x12) + (6x1) = 24+6 = 30 g/mol n = m/m r = 180/30 = 6 mol 1.2 Πόσα g ζυγίζουν τα 3 mol προπενίου (C 3 H 6 ); M r= (3x12)+(6x1) = 36 + 6 = 42 g/mol m = n M r = 3 x 42 = 126 g 1.3 Πόσα mol είναι τα 112 L μεθανίου (CH 4 ) σε κανονικές συνθήκες STP; n = V/V m = 112 / 22,4 = 5 mol 1.4 Ποιος είναι ο όγκος που καταλαμβάνουν σε STP τα 0,25 mol αιθυλενίου (C 2 H 4 ); V = n V m = 0,25 x 22,4 = 5,6 L 2. Στοιχειομετρικοί υπολογισμοί Σε μια χημική εξίσωση οι συντελεστές των ουσιών (στοιχειομετρικοί συντελεστές) δείχνουν την αναλογία των mol των ουσιών που συμμετέχουν στη χημική αντίδραση (αντιδρώντα και προϊόντα). Για παράδειγμα, δίνεται η παρακάτω χημική εξίσωση της αντίδρασης καύσης του μεθανίου: CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2O Η παραπάνω χημική εξίσωση δείχνει ότι: 1 mol CH 4 αντιδρά με 2 mol O 2 και παράγουν 1 mol CO 2 και 2 mol H 2O, αλλά και ότι: 2 mol CH 4 αντιδρούν με 4 mol O 2 και παράγουν 2 mol CO 2 και 4 mol H 2O 10 mol CH 4 αντιδρούν με 20 mol O 2 και παράγουν 10 mol CO 2 και 20 mol H 2O 0,1 mol CH 4 αντιδρά με 0,2 mol O 2 και παράγουν 0,1 mol CO 2 και 0,2 mol H 2O και γενικά ότι: x mol CH 4 αντιδρούν με 2x mol O 2 και παράγουν x mol CO 2 και 2x mol H 2O 1
Επομένως, με βάση τη χημική εξίσωση μιας αντίδρασης, αν γνωρίζουμε τον αριθμό των mol μιας ουσίας που συμμετέχει στην αντίδραση (στα αντιδρώντα ή στα προϊόντα), μπορούμε να υπολογίσουμε τον αριθμό των mol των άλλων ουσιών που συμμετέχουν στην ίδια αντίδραση. Οι υπολογισμοί αυτοί ονομάζονται στοιχειομετρικοί υπολογισμοί. ΠΡΟΣΟΧΗ: σε όλες τις αντιδράσεις ισχύει η αρχή διατήρησης της μάζας: το είδος και ο αριθμός των ατόμων παραμένει αναλλοίωτος κατά τη χημική αντίδραση (ίδια άτομα σε ίσο αριθμό, στα αντιδρώντα και στα προϊόντα). Αυτό που αλλάζει είναι ο τρόπος που συνδέονται μεταξύ τους. Παραδείγματα 2.1 60 g αιθανίου (C 2 H 6 ) καίγονται πλήρως. Να υπολογισθεί ο όγκος του CO 2 που θα παραχθεί σε συνθήκες STP. 1 ο βήμα: Μετατρέπουμε τη μάζα του αιθανίου (g) σε mol, M r = (2x12)+ (6x1) = 30. Xρησιμοποιείται ο τύπος: n=m/m r = 60 / 30 = 2 mol 2 ο βήμα: Γράφουμε τη χημική εξίσωση της αντίδρασης καύσης του αιθανίου. C 2H 6 + 3,5 O 2 2CO 2 + 3H 2O 3 ο βήμα: Υπολογίζουμε στοιχειομετρικά τις ποσότητες των αντιδρώντων και προϊόντων από τη χημική εξίσωση της αντίδρασης καύσης του αιθενίου. 1 mol C 2H 6 αντιδρά με 3,5 mol O 2 και παράγουν 2 mol CO 2 και 3 mol H 2O, και έσω αναλογικά μέσω της απλής μεθόδου των τριών, βρίσκεται ότι: 2 mol C 2 H 6 αντιδρούν με 7 mol O 2 και παράγουν 4 mol CO 2 και 6 mol H 2O 4 ο βήμα: Υπολογίζουμε τον όγκο που αντιστοιχεί στα 4 mol CO 2 χρησιμοποιώντας τον τύπο n=v/v m (συνθήκες STP). V=n V m = 4 x 22,4 = 89,6 L CO 2 παράχθηκαν από την καύση 60 g αιθανίου. 2.2 2,24 L αιθενίου (ή αιθυλενίου) μετρημένα σε συνθήκες STP αντιδρούν πλήρως με Η 2 (παρουσία καταλύτη Ni). α) Ποια ουσία και πόσα g της ουσίας αυτής θα παραχθούν; β) Η ουσία που παράγεται παραπάνω καίγεται πλήρως. Να υπολογισθεί ο όγκος του CO 2 που θα παραχθεί μετρημένος σε συνθήκες STP. 1 ο βήμα: Μετατρέπουμε τον όγκο του αιθενίου (L) σε mol. Xρησιμοποιείται ο τύπος (συνθήκες STP): n= V/V m = 2,24 / 22,4 = 0,1 mol 2 ο βήμα: Γράφουμε τη χημική εξίσωση της αντίδρασης προσθήκης H 2 στο αιθένιο. C 2H 4 + Η 2 C 2H 6 Από την αντίδραση φαίνεται ότι θα παραχθεί αιθάνιο. 3 ο βήμα: Υπολογίζουμε στοιχειομετρικά τις ποσότητες των αντιδρώντων και προϊόντων από τη χημική εξίσωση της αντίδρασης προσθήκης στο αιθένιο. 1 mol C 2H 4 αντιδρά με 1 mol Η 2 και παράγουν 1 mol C 2Η 6, και αναλογικά βάσει της απλής μεθόδου των τριών, βρίσκεται ότι: 0,1 mol C 2H 4 αντιδρά πλήρως με 0,1 mol Η 2 και παράγουν 0,1 mol C 2 Η 6 4 ο βήμα: Μετατρέπουμε τα mol του αιθανίου σε g, M r = (2x12)+ (6x1) = 30. Xρησιμοποιείται ο τύπος: n = m/m r, m = n M r = 0,1 x 30 = 3 g Επομένως, από την πλήρη αντίδραση 2,24 L αιθυλενίου με H 2 παράγονται 3 g αιθανίου. Τα 3 g αιθανίου στη συνέχεια καίγονται πλήρως. Με άλλα λόγια λαμβάνουν χώρα διαδοχικές αντιδράσεις. 5 ο βήμα: Γράφεται η χημική εξίσωση της αντίδρασης καύσης του αιθανίου. 2
C 2H 6 + 3,5 O 2 2CO 2 + 3H 2O 6 ο βήμα: Υπολογίζουμε στοιχειομετρικά τις ποσότητες των αντιδρώντων και προϊόντων από τη χημική εξίσωση της αντίδρασης καύσης του αιθανίου. 1 mol C 2H 6 αντιδρά με 3,5 mol O 2 και παράγουν 2 mol CO 2 και 3 mol H 2O, και αναλογικά βάσει της απλής μεθόδου των τριών, βρίσκεται ότι: 0,1 mol C 2 H 6 αντιδρά με 0,35 mol O 2 και παράγουν 0,2 mol CO 2 και 0,3 mol H 2O 7 ο βήμα: Υπολογίζεται ο όγκος που αντιστοιχεί στα 0,2 mol CO 2 χρησιμοποιώντας τον τύπο n = V/V m (συνθήκες STP). V= n V m = 0,2 x 22,4 = 4,48 L CO 2 παράχθηκαν από την καύση 3 g αιθενίου. 2.3 2,24 L ενός αλκενίου Α μετρημένα σε συνθήκες STP αντιδρούν πλήρως με Η 2 (παρουσία καταλύτη Ni). Ο υδρογονάνθρακας Β που προκύπτει καίγεται πλήρως, οπότε σχηματίζονται 8,8 g CO 2. Να βρεθούν οι συντακτικοί τύποι των ενώσεων Α και Β. 1 ο βήμα: Έστω C νη 2ν ο τύπος του αλκενίου Α. 2 ο βήμα: Μετατρέπεται ο όγκος του αλκενίου Α (L) σε mol Xρησιμοποιείται ο τύπος (συνθήκες STP): n= V/V m = 2,24 / 22,4 = 0,1 mol 3 ο βήμα: Γράφεται η χημική εξίσωση της αντίδρασης προσθήκης H 2 στο αλκένιο, και υπολογίζονται στοιχειομετρικά: C νη 2ν + Η 2 C νη 2ν+2 1 mol 1 mol 1 mol 0,1 mol?= 0,1 mol?=0,1 mol Από την παραπάνω αντίδραση προκύπτουν 0,1 mol υδρογονάνθρακα Β που έχει τύπο C νη 2ν+2 (αλκάνιο). 4 ο βήμα: Γράφουμε τη χημική εξίσωση της αντίδρασης καύσης του αλκανίου Β, και υπολογίζουμε στοιχειομετρικά: C νh 2ν+2 + ((3ν+1)/2)O 2 ν CO 2 + (ν+1) H 2O 1 mol (3ν+1)/2) mol ν mol (ν+1) mol 0,1 mol?=(0,1 v) mol Από την παραπάνω αντίδραση προκύπτουν (0,1 ν) CO 2, τα οποία αντιστοιχούν σε 8,8 g (M r CO 2 = 12+32 = 44). Ισχύει ότι: n = m / M r = 8,8 / 44 = 0,2 mol. Άρα: 0,2 = 0,1 ν και ν = 2. Οι συντακτικοί τύποι των ενώσεων Α και Β είναι: Α: CH 2 = CH 2 B: CH 3-CH 3 3. Στοιχειομετρική αναλογία και περίσσεια Σε ορισμένες ασκήσεις δίνονται οι αρχικές ποσότητες και των δύο αντιδρώντων ουσιών και ζητείται να υπολογισθεί η ποσότητα ενός από τα προϊόντα. Στην περίπτωση αυτή πρέπει αρχικά να εξετασθεί αν κάποιο από τα αντιδρώντα βρίσκεται σε περίσσεια. Υπάρχουν δύο περιπτώσεις: α) Οι αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων βρίσκονται σε στοιχειομετρική αναλογία Αυτό συμβαίνει όταν η αναλογία των mol των ποσοτήτων των δύο αντιδρώντων είναι ίση με την αναλογία των στοιχειομετρικών συντελεστών που έχουν τα αντιδρώντα στη στοιχειομετρική εξίσωση. Έστω για παράδειγμα η παρακάτω αντίδραση: CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2O Υπάρχει στοιχειομετρική αναλογία όταν η αναλογία των moles των δυο αντιδρώντων αερίων είναι ½ (1 mol μεθανίου προς 2 moles οξυγόνου). β) Ένα από τα αντιδρώντα βρίσκεται σε περίσσεια 3
Στο παραπάνω παράδειγμα αν η αναλογία moles των δυο αντιδρώντων αερίων δεν είναι ½ τότε ένα εκ των δύο είναι σε περίσσεια (περισσεύει). Στην περίπτωση αυτή η ποσότητα του προϊόντος της αντίδρασης που ζητείται, υπολογίζεται με βάση την ποσότητα εκείνου του αντιδρώντος που αντιδρά πλήρως, που δεν είναι δηλαδή σε περίσσεια. Χρησιμοποιείται Πίνακας όπως παρατίθεται στο παρακάτω παράδειγμα. Παραδείγματα 3.1 Σε 84 g προπενίου διοχετεύονται 36,5 g HCl. Ποια είναι η σύσταση του τελικού μίγματος (A r C, H, Cl : 12, 1 και 35,5 αντίστοιχα). Υπολογίζονται οι αρχικές ποσότητες των ουσιών σε mol. M r C 3H 6 = (3 x 12) + (6 x 1) = 42, M rhcl = 1+35,5 = 36,5 nc 3H 6 = m/m r = 84/ 42 = 2 mol προπενίου n HCl= m /M r = 36,5/36,5 = 1 mol υδροχλωρίου Το προπένιο αντιδρά με το HCl, σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση προσθήκης: C 3H 6 + HCl C 3H 7Cl, Από τις αρχικές ποσότητες των αντιδρώντων και από τη στοιχειομετρία της αντίδρασης, που είναι 1:1, συμπεραίνουμε ότι το προπένιο βρίσκεται σε περίσσεια. Χρησιμοποιείται ο παρακάτω Πίνακας: C 3H 6 + HCl C 3H 7Cl, Αρχικά (mol) 2 1 Αντιδρούν (mol) -1-1 Παράγονται (mol) 1 Τελικά 2-1 = 1 mol 1-1 = 0 1 mol Στο τελικό μίγμα, μετά την αντίδραση θα υπάρχουν 1 mol προπενίου και 1 mol χλωροπρενίου. ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1. Πόσα g ζυγίζουν και τι όγκο καταλαμβάνουν σε συνθήκες STP ποσότητα 0,1 mol και 5 mol των παρακάτω αερίων (δίνονται A r Η, Ο, C ίσες με 1, 16 και 12 αντίστοιχα) : α) H 2 β) CH 4 γ) C 2H 4 δ) CO 2 2. Αλκάνιο Α έχει σχετική Μοριακή μάζα M r =44. α) Ποιος ο Μοριακός τύπος και ποιος ο Συντακτικός τύπος του αλκανίου αυτού; β) 44,8 L του αλκανίου αυτού καίγονται πλήρως σε συνθήκες STP. Πόσα L CO 2 απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα και πόσα g Η 2Ο παράγονται σε συνθήκες STP; 3. 44,8 L προπενίου μετρημένα σε STP, καίγονται πλήρως. α) Να γραφεί η χημική εξίσωση της αντίδρασης καύσης. β) Πόσα L CO 2 και πόσα g H 2O παράγονται; 4. 4,2 g ενός αλκενίου Α απαιτούν για πλήρη αντίδραση 2,24 L H 2, μετρημένα σε συνθήκες STP, παρουσία καταλύτη. α) Ποιος είναι ο συντακτικός τύπος του αλκενίου Α; 4
β) Ποιο θα είναι το προϊόν Β της αντίδρασης και πόσα g του προϊόντος Β θα παραχθούν; 5. 2,24 L προπενίου μετρημένα σε συνθήκες STP, αντιδρούν πλήρως με Η 2Ο. Ποια η ένωση Β που παράγεται από την αντίδραση προσθήκης; Πόσα g της ένωσης Β παράγονται; 6. Σε 3 mol προπενίου διοχετεύονται 73 g HCl. Ποια είναι η σύσταση (ποσότητες σε mol) του τελικού μίγματος που προκύπτει μετά την αντίδραση προσθήκης που λαμβάνει χώρα (A r Cl = 35,5, A r Η =1 ). 7. Σε διάλυμα Br 2 σε CCl 4 που περιέχει 16 g Br 2, διοχετεύονται 6,3 g προπενίου και το διάλυμα του Br 2 αποχρωματίζεται. Ποια είναι η σύσταση (ποσότητες σε mol) του τελικού μίγματος (A r Br = 80);Το διάλυμα βρωμίου θα αποχρωματισθεί; Αλκίνια -Ερωτήσεις/ Ασκήσεις 8. Πως μπορούμε να διακρίνουμε αν ένα αέριο είναι το αιθένιο (αιθυλένιο) ή το αιθίνιο (ακετυλένιο); Απάντηση: Διοχετεύουμε το αέριο σε αμμωνιακό διάλυμα CuCl (χλωριούχος χαλκός). Αν σχηματισθεί καστανέρυθρο ίζημα (χαλκοακετυλενίδιο), συμπεραίνουμε ότι το αέριο είναι το αιθίνο, αφού μόνο αυτό έχει όξινα υδρογόνα και αντιδρά με CuCl/NH 3, σύμφωνα με την αντίδραση: HC CH + 2CuCl+ 2NH 3 CuC CCu + 2 NH 4Cl Αν δε σχηματισθεί ίζημα, το αέριο είναι το αιθένιο, το οποίο δεν αντιδρά. 9. Με πρώτη ύλη το ακετυλένιο πως παρασκευάζεται; α) βενζόλιο (C 6H 6) β) χλωροαιθένιο γ) πολυβινυλοχλωρίδιο (PVC) δ) αιθανόλη Να γραφούν οι σχετικές αντιδράσεις. 10. Συμπληρώστε τις παρακάτω αντιδράσεις. Ονομάστε τις οργανικές ενώσεις που βρίσκονται στα αντιδρώντα και στα προϊόντα. α) CH 3-C CH + H 2O β) CH 3-C C-CH 3 + Br 2 γ) CH 3-CH 2-C CH + HBr δ) CH 3-C CH + H 2 11. Ένα μίγμα που αποτελείται από 200 ml CH CH και 300 ml H 2 θερμαίνεται παρουσία Νi. Ποια είναι η σύσταση (ποιοτική και ποσοτική) του τελικού μίγματος μετά την αντίδραση; Όλοι οι όγκοι μετρήθηκαν στις ίδιες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. 12. 4,48 L αλκινίου Α, μετρημένα σε συνθήκες STP, καίγονται πλήρως, οπότε παράγονται 26,4 g CO 2. 5
α) Ποιος είναι ο Μοριακός Τύπος του αλκινίου Α; β) Πόσα g Br 2 απαιτούνται κατ ελάχιστον για να αποχρωματισθούν πλήρως 4 g του αλκινίου Α; (A r Br = 80). 13. 44,8 L αιθινίου (C 2H 2) αντιδρούν με 480 g Br 2. α)το διάλυμα θα αποχρωματισθεί; β)αν δεν αποχρωματισθεί, πόσα ακόμη g Br 2 πρέπει να προστεθούν ώστε να αποχρωματισθεί πλήρως το διάλυμα Br 2; ΑΛΚΟΟΛΕΣ 14. Δίνονται οι παρακάτω αλκοόλες: α) Ονομάστε τις β) Ταξινομήστε τις σε πρωτοταγείς, δευτεροταγείς, τριτοταγείς γ) Ποιες από αυτές οξειδώνονται σε κετόνες; δ) Ποιες από αυτές οξειδώνονται τελικά σε καρβοξυλικά οξέα; ε) Ποιες από αυτές δεν οξειδώνονται καθόλου; Α. CΗ 3 - CΗ CΗ -CΗ 3 CΗ 3 OH Β. CΗ 3 - CΗ CΗ - CΗ 2 -ΟΗ CΗ 3 Γ. CΗ 3 - C CΗ -CΗ 3 CΗ 3 Δ.. CΗ 3 - CΗ CΗ 2 -OH CΗ 3 15. Συμπληρώστε τις παρακάτω αντιδράσεις (στην τελευταία αντίδραση καύσης βάλτε και συντελεστές): Α. CH 3 COOH + CH 3 OH B. CH 3 CH 2 OH + Na Γ. CH 3 CH 2 CH 2 OH Δ. 2CH 3 CH 2 OH Ε. C 3 H 8 O + Ο 2 16. 92 g αιθανόλης καίγονται πλήρως σε συνθήκες STP. Πόσα L CO 2 παράγονται; 17. 32 g μεθανόλης αντιδρούν (καίγονται) με 67,2 L O 2 σε συνθήκες STP. Ποια θα είναι η σύσταση στο τέλος της αντίδρασης; 18. Αλκοόλη έχει Μοριακό C 4H 10O. Ποια είναι τα συντακτικά άκυκλα ισομερή; Ποια ή ποιες από τις ισομερείς αλκοόλες δεν οξειδώνονται; 6