Pewne szkolne teorie a rzeczywista chemia

1 345

Jak wiemy, w szkole materiał jest zbyt ubogi, by zwięźle nauczyć się chemii. By ją zrozumieć. Chyba z powodu braku pewnych informacji a nadmiaru innych teoria jest wielokrotnie uproszczona a nawet przekłamana. Celowo napisałem już artykuły o amfoteryczności i reakcji metali z kwasami, by unaocznić pewne rzeczy. Tym razem wyjaśnimy sobie sobie kilka innych rzeczy. I, mówiąc wprost, zamierzam obalić szkolne herezje, powtarzane od lat na chemii w szkole. Przecież nikt nie uczy nas, że Ziemia jest płaska. Gdyby tak było, to byłoby istne oszukiwanie. To byłaby czysta herezja. Ja napiszę o przekłamaniach trochę mniejszych, ale jednak o przekłamaniach. No to od początku:

1) Tlenki kwasowe reagują z zasadami, a nie reagują z kwasami

Nieprawda. Zależy jaki tlenek i jaki kwas. Każda reakcja dąży do powstania jak  najtrwalszych cząsteczek, a to jest takich, które mają jak najniższą energię, dlatego też większość reakcji samorzutnych jest egzotermiczna, bo powstające cząsteczki mają niższą energię niż substraty, stąd różnica energii jest wydzielana na zewnątrz. Rzeczywiście jeśli do np. do bezwodnego kwasu fosforowego wprowadzić trójtlenek siarki, to nic się nie stanie. Ale gdyby wprowadzić pięciotlenek fosforu do kwasu siarkowego? Zajdzie takowa reakcja:

1

gwałtownie zacznie wydzielać się biały dym trójtlenku siarki.

Może to być laboratoryjna metoda otrzymywania tego gazu. Podobny efekt otrzymamy, gdyby potraktować kwas azotowy tym samym pięciotlenkiem:

1

I także jest to metoda otrzymywania tego związku w laboratorium, ale ze względu na specyfikę reakcji i właściwości pięciotlenku azotu, trudna do wykonania bez odpowiedniej aparatury.

Przedstawione reakcje są przykładami reakcji wymiany bez zmiany stopnia utlenienia. Kierunek samorzutnej reakcji wyznacza ten tlenek niemetali, który silniej wiąże się z wodą, a ponieważ z tlenków kwasowych to P2O5 bardzo silnie wiąże się z wodą tworząc HPO3, to z jego pomocą możemy otrzymywać nie tylko inne tlenki kwasowe, co i bezwodniki kwasów karboksylowych. Ale tlenki kwasowe mogą reagować także w reakcji utleniania i redukcji. Weźmy np:

3

powstały produkt zwie się kwasem nitrozylosiarkowym, można sprawdzić, że siarka uległa utlenieniu, a  azot redukcji. Ale to też nie wszystko. Zastanówmy się bowiem, czy możnaby otrzymać pirosiarkowy w tej reakcji, gdyby tlenki kwasowe nie reagowały z kwasami?

2

Reakcja ta jest przykładem reakcji addycji elektrofilowej. Zwiazki posiadające kwasowy atom wodoru chętnie ulegają addycji co wiązań podwójnych X=Y, gdzie X może być dowolny niemetal (a więc C, S, N, P, Cl itd), zauważmy też, że przykładem związku posiadającego kwasowy proton jest przecież… woda. Reakcja wody z tlenkiem kwasowym to nic innego jak reakcja addycji elektrofilowej. Skoro woda reaguje, to dlaczego inne kwasowe zwiazki miałyby nie reagować? Spójrzmy jeszcze na tę reakcję:

1

Powstał kwas chlorosulfonowy, związek używany jako silny czynnik sulfonujący zwiazki organiczne. Co więcej, możemy dzięki tej reakcji otrzymać kwasy mieszane – czyli takie kwasy, które zawierają co najmniej 2 różne pierwiastki kwasotwórcze, lub co ciekawe, hybrydę z kwasem organicznym. Zauważcie, że taką sytuację mieliśmy już w przypadku kwasu nitrozylosiarkowego. Ponadto związek ten zawiera jeszcze wiązanie bezwodnikowe N-O-S (sprawdźcie, że wszystkie pirokwasy takowe zawierają). Spróbujcie napisać równanie reakcji H3PO4 z SO3 i zastanowić sie nad produktem tej reakcji.

Zauważmy jednak jedną rzecz: jeśli tlenek kwasowy reaguje z tlenkiem zasadowym to tworzy się sól. Czy otrzymaliśmy sól? Nie. Otrzymaliśmy za to inne kwasy i bezwodniki kwasowe. Z tego powodu też szkolna herezja mówiąca o braku reakcji pomiędzy tlenkami zasadowymi i kwasami powinna brzmieć: tlenki kwasowe nie dają soli w reakcji z innymi tlenkami kwasowymi. A to nie znaczy, że nie reagują. Co smutniejsze, często spotyka sie chemików, którzy na pierwszy rzut oka powiedzą: to nie zajdzie bo masz tutaj kwasi i tlenek kwasowy. Gdy byłem na pierwszym roku studiów podszedłem do jednego profesora z pytaniem czy możnaby otrzymać SO3 w reakcji st. kwasu siarkowego z P2O5, a jego odpowiedź brzmiała: „Nie, ja w to nie wierzę”. Domyślacie się już dlaczego?

Pochwalę się, że kiedyś jeden zmoich korepetytantów obronił swoją ocene z kartówki, gdy wyjaśnił swojej pani nauczycielce, że miał rację.

2) Katalizator nie bierze udziału w reakcji

Tak uczono mnie w szkole. Niestety późniejsza edukacja nie pozwoliłaby mi trwać w takim przekonaniu. Stwierdzenie to za niektórymi osobami wlecze się jeszcze długie lata. Czy więc katalizator jest jakimś magicznym proszkiem, który dodany do naczynia reakcyjnego powoduje że nagle zaczyna zachodzić reakcja? Sama logika nakazuje pomyśleć, że musi jakoś oddziaływać na substraty, skoro przyśpiesza reakcję. Tymczasem wiemy, że najprościej rzecz ujmując, katalizator chemicznie reaguje z substratami.

Jeśli przykładową reakcję zapiszemy jako:

A + B → C

i reakcja ta nie chce zachodzić z satysfakcjonującą szybkością (np. czas jej półtrwania wynosi wiele miesięcy), to w obecności katalizatora (K) nastąpi zmiana ścieżki reakcji:

A + K → AK

AK + B→ C + K

po zsumowaniu otrzymamy:

A + B → C

jako że katalizator występuje po obu stronach równania, to się skraca i nie występuje w równaniu sumarycznym, ale czy nie bierze udziału w reakcji? W wielu przypadkach można wykryć obecność produktu pośredniego, a nawet jego stężenie jest przez pewien okres praktycznie niezmienne w czasie, czyli jak mówią chemicy, ustala się stan stacjonarny. Na szczęście od tej praktyki chyba wszystkie szkoły już odeszły i w końcu dowiadujemy się, że katalizator jednak bierze udział w reakcji, ale się w niej nie zużywa. Są inne przekłamania szkolne – np. kwas siarkowy pochłania wodę w reakcji estryfikacja. To w końcu jest katalizatore, czy przesuwa stan równowagi? Sugerowało by to całkiem inną rolę tego kwasu, bo sam katalizator nie wplywa na położenie stanu równowagi. Stężenie kwasu siarkowego jest zbyt małe by był skutecznym pochłaniaczem wody powstajacej w tej reakcji. Tymczasem estryfikację możemy prowadzić także wobec innych kwasów jako katalizatorów, w tym i w obecności chlorowodoru czy popularnego kwas p-toluenosulfonowego, które nie odznaczaja sie szczególnią higroskopijnością.

3) Reakcje z osadami nie zachodzą

To dość powszechne przekłamanie. Osady często traktuje się jak zupełnie nierozpuszczalne w wodzie. Tymczasem praktycznie każda substancja chemiczna jest rozpuszczalna w wodzie czy innym rozpuszczalniku, ale w różnym stopniu. Są substancje bardzo dobrze rozpuszczalne, tworzące roztwory o bardzo dużych stężeniach, są też substancje prawie lub praktycznie nierozpuszczalne. Ale prawie czyni dużą różnicę, jak uczy pewna stara reklama. Kwestia nazwania czegoś rozpuszczalnym lub nierozpuszczalnym jest tylko umowna. Taka umowa ma niewielkie znaczenie dla reakcji chemicznych jednak. Przecież nawet jeśli coś ma niską rozpuszczalność, to w roztworze nad tym jest pewna ilość rozpuszczona. Wiele razu spotkałem się w swoim życiu ze stwierdzeniem: „Ta reakcja nie zajdzie bo to jest osad”. Weźmy na przykład:

Ca(OH)2↓ + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaOH

Zajdzie czy nie? wielu odpowie, że nie bo Ca(OH)2 to osad. Ok, osad. Ale gdyby w temp. pokojowej do 100 g wody wrzucić 100 mg, czyli 0,1 g Ca(OH)2? Ta ilość się rozpuści bez problemu. Powstały roztwór będzie miał stężenie 0,1%. Z tablic odczytujemy rozpuszczalność Ca(OH)2 na poziomie 0,17 g/100 g H2O. A więc blisko 0,2% dla nasyconego roztworu. Tymczasem rozpuszczalność CaCO3 w wodzie jest znacznie mniejsza niż Ca(OH)2. Można porównać, że w temp. pokojowej rozpuszcza się zalewie 0,0013 g CaCO3, czyli 130 razy mniej! Czyli strąci się osad CaCO3. Natomiast sama ta reakcja służy do otrzymywania NaOH w przemyśle i jest nazywana kaustyfikacją sody.

Weźmy inny przykład:

Ag2CrO4↓ + 2NaCl → 2AgCl↓ + Na2CrO4

Ag2CrO4 jest czerwonym osadem. Dodając go do roztworu NaCl przechodzi on w osad biały AgCl a bezbarwny roztwór przyjmuje barwę żółtą wskutek powstania dobrze rozpuszczalnego Na2CrO4. Reakcja ta podstawą oznaczania chlorków. Do roztworu zawierającego chlorki dodajemy Na2CrO4 i miareczkujemy azotanem srebra. Początkowo pojawia się biały osad, jednak w punkcie końcowym miareczkowania powstaje osad czerwony. Ten moment pokazuje nam koniec miareczkowania.

Albo jeszcze jeden ciekawy ciąg reakcji:

Pb(NO3)2 + 2NaCl → PbCl2↓ + 2NaNO3

PbCl2↓ + 2KI → PbI2↓+ 2KCl

PbI2↓ + Na2SO4 → PbSO4↓ + 2NaI

PbSO4↓ + Na2CrO4 → PbCrO4↓ + Na2SO4

We wszystkich przypadkach jeden osad przechodzi w kolejny, mniej rozpuszczalny. Wykonując to doświadczenie otrzymamy najpierw biały PbCl2, następnie żółty PbI2, potem znowu biały PbSO4 a na końcu znowuż żółty PbCrO4.

Ok, a co z reakcjami wypierania metali? Np. w szkolnym przypadku:

CuSO4 + Zn↓→ Cu↓ + ZnSO4

jak chyba wiemy, taka reakcja bez problemu zachodzi. Gdyby zamiast dobrze rozpuszczalnej soli użyć słaborozpuszczalnej? Np. AgCl?

Wrzucając kawałek cynku, aluminium czy nawet cyny do mokrego AgCl następuje jego ciemnienie:

2AgCl↓ + Zn↓ → 2Ag↓ + ZnCl2

Opisałem to zresztą w osobnym artykule.

Czyli reagują jakby nie patrzeć 2 osady ze sobą, jeśli są w środowisku wodnym.

Są też przypadki, że 2 osady przechodzą w dwa inne osady:

CaSO4↓ + BaF2↓ → CaF2↓ + BaSO4

Spotkałem też stwierdzenie, na szczęście nie w podręczniku, że jeśli powstają 2 osady, to reakcja nie zajdzie, a konkretnie przedmiotem dyskusji była takowa reakcja:

CuSO4 + Ba(OH)2 → Cu(OH)2↓ + BaSO4

Przy czym część osób się upierała, że ta reakcja nie zajdzie, bo coś przeszkadza powstaniu 2 osadów. Tylko co w takim razie?

4) Wzajemne wypieranie metali i pasywacja

Pozostańmy przy temacie wypierania metali. Wiadomo, że aktywniejszy wypiera szlachetniejszy z roztworu. Cynk wrzucony do r-ru CuSO4 szybko pokrywa się miedzią. Wrzucony do SnCl2 szybko powstają piękne kryształy Sn, które przypominają często jeża, a czasem piękną roślinę. Miedź wrzucona do r-ru AgNO3 pozwala otrzymać piękne drzewka srebrne. Ok, cynk, żelazo, miedź… Wrzućmy jednak do CuSO4 inny metal niż cynk, np. pospolite aluminium (glin). I co? I nic… Dzieje się tak dlatego, że Al jest spasywowane. Jest pokryte szczelną warstewką Al2O3*3H2O, która nie dopuszcza do siebie jonów Cu2+ i atomów Al. Wrzućmy Kawałek Al do r-ru CuCl2. Tutaj ku zaskoczeniu reakcja biegnie bardzo żywo! Jaka jest różnica pomiędzy CuSO4 a CuCl2, skoro w tej reakcji wymiana elektronów zachodzi pomiędzy jonami i atomami metali?. Zróbmy jeszcze jedno doświadczenie. Do roztworu CuSO4 wrzucamy kawałek aluminium. Nic nie nie dzieje. W osobnym naczyniu przygotowujemy r-r NaCl i dodajemy go do r-ru CuSO4. Nagle zaczyna się bardzo intensywna reakcja! Co się dzieje? Czy NaCl jest jakimś katalizatorem? Niezupełnie. Chlorki niszczą warstewkę pasywną glinu, stąd reakcja z CuCl2 zachodzi, podczas gdy z CuSO4 nie. Z powodu pasywacji nie stosuje się też metalicznego chromu jako katody, gdyż w kąpielach galwanicznych również jest pasywny.

5) Reakcje kwasów utleniających z metalami

O ile z uporem maniaka w szkołach wałkuje się teorię, że metale szlachetne nie wypierają wodoru w kwasów i redukują resztę kwasową kwasu utleniającego, ale często jest to uczone tak, że wynika z tego, że jedynie metale szlachetne tak się zachowują, a reszta wypiera z nich wodór. Nic bardziej mylnego! Piszę o tym w osobnym artykule tutaj: https://biomist.pl/chemia/artykuly/prawda-o-reakcjach-kwasow-z-metalami/2908

6) Czy diament jest kruchy?

Słowo twardy potocznie może kojarzyć się z odpornym na uderzenia. Ale w ścisłym języku naukowców już niekoniecznie. Tak jak gęstość jest inaczej definiowana niż w potocznym znaczeniu, tak twardy nie musi oznaczać odporności na uderzenia. I tak diament, choć bardzo twardy, jest też kruchy i łatwo go rozbić. Znam 2 sytuacje, że nauczyciele nie uznawali na kartkówkach czy sprawdzianach odpowiedzi: kruchy. Ale to akurat świadczyło o brakach tych w wiedzy tych nauczycieli, które u każdego mogą się zdarzyć a wynikać też z przenoszenia sytuacji z języka potocznego do ścisłego języka nauki.

To w sumie tyle mi przyszło na myśl pisząc ten artykuł. Mam nadzieję, że pomoże on rozwiać niektóre wątpliwości czy błędne przekonania zarówno tym uczącym się chemii jak i tym, którzy jej uczą. Nie znam dokładnej przyczyny skąd w materiale szkolnym biorą się takie przekonania, ale jedna z teorii mojego kolegi mówi, że program szkolny jest zbyt ubogi w wiedzę o danym zagadnieniu, by można było je konkretnie poznać i scalić wiedzę. Być może należy postawić nie na ilość zatem materiału, a na jego jakość, czyli ułożyć program uboższy o niektóre zagadnienia, ale inne dzięki nim będą uczone lepiej i z lepszym skutkiem. To jest tak jak z budową dróg. Możemy budować 10 dróg naraz po 20 km rocznie albo jedną rocznie ale od początku do końca. Tymi 10 kawałkami dróg nigdzie nie zajedziemy przecież, ale z tej jednej biegnącej od początku do końca będzie pożytek. Mam też nadzieję, że czytelnicy zwrócą uwagę na coś, co tutaj pominąłem i wkrótce będę mógł coś dodać do tego artykułu.

CZY TEN ARTYKUŁ OKAZAŁ SIĘ POMOCNY? MASZ DODATKOWE SUGESTIE ALBO PYTANIA? NAPISZ DO NAS! A MOŻE CHCESZ TEŻ O CZYMŚ NAPISAĆ I OPUBLIKOWAĆ? DOŁĄCZ DO NAS! REDAKCJA@BIOMIST.PL 

Komentarze