Chemijos kursas 12 klasei

Tęsiame su V skyriumi - Organinės chemijos pagrindai, o ankstesnius skyrius galima rasti 11 klasės konspekto dalyje. Gero mokymosi! 📚

V. Organinės chemijos pagrindai

Organinė chemija - tai chemijos šaka, nagrinėjanti anglies junginius, jų struktūrą, savybes, reakcijas, gavimo ir panaudojimo būdus. Anglis yra unikalus elementas, galintis sudaryti ilgas grandines ir žiedus, jungdamasis su kitais anglies atomais bei kitais elementais, tokiais kaip vandenilis, deguonis, azotas, siera, halogenai. Dėl šios savybės anglies junginių įvairovė yra milžiniška - jų žinoma daugiau nei visų kitų elementų junginių kartu sudėjus.

1. Angliavandeniliai

Angliavandeniliai - tai organiniai junginiai, sudaryti tik iš anglies (C) ir vandenilio (H) atomų. Jie yra pagrindinė naftos, gamtinių dujų ir akmens anglies sudedamoji dalis. Angliavandeniliai skirstomi į kelias klases:

Alkanai

Alkanai - tai sotieji angliavandeniliai, kurių molekulėse tarp anglies atomų yra tik viengubieji ryšiai (C-C). Jų bendroji formulė yra CnH₂n+₂, kur n - anglies atomų skaičius.

• Pavadinimai: Pirmųjų keturių alkanų pavadinimai yra metanas (CH₄), etanas (C₂H₆), propanas (C₃H₈) ir butanas (C₄H₁₀). Nuo penktojo nario pavadinimai sudaromi naudojant graikiškus skaitvardžius, nurodančius anglies atomų skaičių, ir priesagą -anas. Pvz., pentanas (C₅H₁₂), heksanas (C₆H₁₄), heptanas (C₇H₁₆) ir t.t.
• Struktūra: Alkanų molekulės gali būti tiesios grandinės arba šakotos.
• Savybės: Alkanai yra nepolinės, netirpios vandenyje medžiagos. Jų virimo ir lydymosi temperatūra didėja didėjant molekulinei masei. Kambario temperatūroje pirmieji keturi alkanai yra dujos, C₅-C₁₆ alkanai - skysčiai, o aukštesnieji alkanai - kietosios medžiagos.
• Reakcijos: Alkanai yra palyginti nereaktyvūs, tačiau jie gali dalyvauti degimo ir halogeninimo reakcijose.
• Degimas: ➡️ Alkanams degant, susidaro anglies dioksidas (CO₂) ir vanduo (H₂O), išsiskiria daug šilumos. Pvz., metano degimas: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
• Halogeninimas: ➡️ Alkanai reaguoja su halogenais (pvz., chloru, bromu) šviesoje, vykdami pakaitos reakciją, kurios metu vandenilio atomas pakeičiamas halogeno atomu. Pvz., metano chlorinimas: CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl

Pavyzdys:

Metanas (CH₄) - pagrindinė gamtinių dujų sudedamoji dalis.

Apibendrinimas: Alkanai yra tarsi "sočiosios" angliavandenilių šeimos nariai, turintys tik viengubuosius ryšius tarp anglies atomų. Jie yra palyginti nereaktyvūs, bet gali degti ir reaguoti su halogenais.

Alkenai

Alkenai - tai nesotieji angliavandeniliai, kurių molekulėse tarp anglies atomų yra bent vienas dvigubasis ryšys (C=C). Jų bendroji formulė yra CnH₂n.

• Pavadinimai: Alkenų pavadinimai sudaromi iš atitinkamo alkano pavadinimo, pakeičiant priesagą -anas į -enas. Pvz., etenas (C₂H₄), propenas (C₃H₆), butenas (C₄H₈). Dvigubojo ryšio padėtis molekulėje nurodoma skaičiumi.
• Struktūra: Alkenų molekulės gali būti tiesios grandinės arba šakotos. Dvigubasis ryšys yra plokščias, t.y., visi atomai, susiję su dvigubuoju ryšiu, yra vienoje plokštumoje.
• Savybės: Alkenai yra nepolinės, netirpios vandenyje medžiagos. Jų virimo ir lydymosi temperatūra panaši į atitinkamų alkanų.
• Reakcijos: Alkenai yra reaktyvesni už alkanus dėl dvigubo ryšio. Jie gali dalyvauti prijungimo reakcijose, kurių metu prie dvigubo ryšio prisijungia kitos molekulės.
  • Hidrinimas: ➡️ Alkenai reaguoja su vandeniliu (H₂), dalyvaujant katalizatoriui (pvz., Pt, Pd, Ni), sudarydami alkanus. Pvz., eteno hidrinimas: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃
  • Halogeninimas: ➡️ Alkenai lengvai reaguoja su halogenais (pvz., chloru, bromu), sudarydami dihalogenalkanus. Pvz., eteno brominimas: CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br
  • Hidrohalogeninimas: ➡️ Alkenai reaguoja su vandenilio halogenidais (pvz., HCl, HBr), sudarydami halogenalkanus. Pvz., propeno reakcija su HCl: CH₃-CH=CH₂ + HCl → CH₃-CHCl-CH₃
  • Hidratacija: ➡️ Alkenai reaguoja su vandeniu (H₂O), dalyvaujant rūgštiniam katalizatoriui, sudarydami alkoholius. Pvz., eteno hidratacija: CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃-CH₂OH

Pavyzdys:

Etenas (C₂H₄) - naudojamas polietileno gamyboje.

Apibendrinimas: Alkenai yra tarsi "aktyvesni" angliavandenilių šeimos nariai, turintys dvigubąjį ryšį, kuris lemia jų didesnį reaktyvumą ir gebėjimą dalyvauti prijungimo reakcijose.

Alkinai

Alkinai - tai nesotieji angliavandeniliai, kurių molekulėse tarp anglies atomų yra bent vienas trigubasis ryšys (C≡C). Jų bendroji formulė yra CnH₂n-₂.

• Pavadinimai: Alkinų pavadinimai sudaromi iš atitinkamo alkano pavadinimo, pakeičiant priesagą -anas į -inas. Pvz., etinas (C₂H₂), propinas (C₃H₄), butinas (C₄H₆). Trigubojo ryšio padėtis molekulėje nurodoma skaičiumi.
• Struktūra: Alkinų molekulės gali būti tiesios grandinės arba šakotos. Trigubasis ryšys yra tiesinis, t.y., visi atomai, susiję su trigubuoju ryšiu, yra vienoje tiesėje.
• Savybės: Alkinai yra nepolinės, netirpios vandenyje medžiagos. Jų virimo ir lydymosi temperatūra panaši į atitinkamų alkanų ir alkenų.
• Reakcijos: Alkinai yra dar reaktyvesni už alkenus dėl trigubo ryšio. Jie gali dalyvauti prijungimo reakcijose, kurių metu prie trigubo ryšio prisijungia kitos molekulės.
  • Hidrinimas: ➡️ Alkinai reaguoja su vandeniliu (H₂), dalyvaujant katalizatoriui, sudarydami alkenus arba alkanus. Pvz., etino hidrinimas: CH≡CH + H₂ → CH₂=CH₂ (toliau + H₂ → CH₃-CH₃)
  • Halogeninimas: ➡️ Alkinai lengvai reaguoja su halogenais (pvz., chloru, bromu), sudarydami tetrahalogenalkanus. Pvz., etino brominimas: CH≡CH + 2Br₂ → CHBr₂-CHBr₂
  • Hidrohalogeninimas: ➡️ Alkinai reaguoja su vandenilio halogenidais (pvz., HCl, HBr), sudarydami halogenalkenus arba dihalogenalkanus. Pvz., propino reakcija su HCl: CH₃-C≡CH + HCl → CH₃-CCl=CH₂ (toliau + HCl → CH₃-CCl₂-CH₃)
  • Hidratacija: ➡️ Alkinai reaguoja su vandeniu (H₂O), dalyvaujant gyvsidabrio druskų katalizatoriui, sudarydami ketonus (išskyrus etiną, kuris sudaro aldehidą). Pvz., propino hidratacija: CH₃-C≡CH + H₂O → CH₃-CO-CH₃

Pavyzdys:

Etinas (C₂H₂), dar vadinamas acetilenu, naudojamas suvirinimo darbams.

Apibendrinimas: Alkinai yra tarsi "labiausiai energingi" angliavandenilių šeimos nariai, turintys trigubąjį ryšį, kuris lemia jų didžiausią reaktyvumą ir gebėjimą dalyvauti įvairiose prijungimo reakcijose.

Cikloalkanai

Cikloalkanai - tai sotieji cikliniai angliavandeniliai, kurių molekulėse anglies atomai yra sujungti į žiedą. Jų bendroji formulė yra CnH₂n.

• Pavadinimai: Cikloalkanų pavadinimai sudaromi prie atitinkamo alkano pavadinimo pridedant priešdėlį ciklo-. Pvz., ciklopropanas (C₃H₆), ciklobutanas (C₄H₈), ciklopentanas (C₅H₁₀), cikloheksanas (C₆H₁₂).
• Struktūra: Cikloalkanų žiedai gali būti įvairaus dydžio. Mažiausias cikloalkanas yra ciklopropanas, turintis trijų anglies atomų žiedą.
• Savybės: Cikloalkanai yra nepolinės, netirpios vandenyje medžiagos. Jų savybės panašios į atitinkamų alkanų.
• Reakcijos: Cikloalkanai yra mažiau reaktyvūs už alkenus ir alkinus, bet reaktyvesni už alkanus. Mažieji cikloalkanai (ciklopropanas, ciklobutanas) yra reaktyvesni dėl didelės žiedo įtampos.

Pavyzdys:

Cikloheksanas (C₆H₁₂) - naudojamas kaip tirpiklis.

Apibendrinimas: Cikloalkanai yra tarsi angliavandenilių šeimos "žiedų valdovai", kurių anglies atomai sudaro žiedines struktūras.

Arenai (aromatiniai angliavandeniliai)

Arenai - tai cikliniai angliavandeniliai, turintys ypatingą žiedinę struktūrą, vadinamą aromatinguoju žiedu. Paprasčiausias arenų atstovas yra benzenas (C₆H₆).

• Benzeno struktūra: ⚀ Benzeno molekulė yra plokščias šešiakampis žiedas, sudarytas iš šešių anglies atomų, kurių kiekvienas yra susijungęs su vienu vandenilio atomu. Benzeno žiede visi C-C ryšiai yra vienodo ilgio, tarpinio tarp viengubojo ir dvigubojo ryšio. Tai paaiškinama tuo, kad benzeno žiede yra delokalizuota π elektronų sistema, t.y., šeši π elektronai (po vieną iš kiekvieno anglies atomo) nėra lokalizuoti tarp konkrečių anglies atomų, o tolygiai pasiskirstę po visą žiedą, sudarydami "elektronų debesį" virš ir po žiedo plokštuma. Ši struktūra suteikia benzenui didelį stabilumą.
• Pavadinimai: Arenų, turinčių vieną benzeno žiedą, pavadinimai sudaromi pridedant pakaitų pavadinimus prie žodžio "benzenas". Pvz., metilbenzenas (toluenas), etilbenzenas. Sudėtingesnių arenų pavadinimai sudaromi pagal IUPAC nomenklatūros taisykles.
• Savybės: Arenai yra nepolinės, netirpios vandenyje medžiagos. Jie yra palyginti stabilūs dėl aromatinio žiedo.
• Reakcijos: Arenai, nors ir turi dvigubųjų ryšių, nėra linkę dalyvauti prijungimo reakcijose, kaip alkenai ar alkinai. Jiems būdingos elektrofilinės pakaitos reakcijos, kurių metu vienas ar keli vandenilio atomai benzeno žiede pakeičiami kitais atomais arba atomų grupėmis.
  • Halogeninimas: ➡️ Arenai reaguoja su halogenais (pvz., chloru, bromu), dalyvaujant katalizatoriui (pvz., FeCl₃, AlCl₃), sudarydami halogenarenus. Pvz., benzeno chlorinimas: C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl
  • Nitrinimas: ➡️ Arenai reaguoja su koncentruota azoto rūgštimi (HNO₃), dalyvaujant koncentruotai sieros rūgščiai (H₂SO₄), sudarydami nitroarenus. Pvz., benzeno nitrinimas: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O
  • Sulfoninimas: ➡️ Arenai reaguoja su koncentruota sieros rūgštimi (H₂SO₄) arba oleumu (SO₃ tirpalas H₂SO₄), sudarydami arensulfonrūgštis. Pvz., benzeno sulfonimas: C₆H₆ + H₂SO₄ → C₆H₅SO₃H + H₂O
  • Alkilinimas (Fridelio-Kraftso reakcija): ➡️ Arenai reaguoja su alkilhalogenidais, dalyvaujant katalizatoriui (pvz., AlCl₃), sudarydami alkilarenus. Pvz., benzeno reakcija su metilchloridu: C₆H₆ + CH₃Cl → C₆H₅CH₃ + HCl
  • Acilinimas (Fridelio-Kraftso reakcija): ➡️ Arenai reaguoja su acilhalogenidais arba rūgščių anhidridais, dalyvaujant katalizatoriui (pvz., AlCl₃), sudarydami arilketonus. Pvz., benzeno reakcija su acetilchloridu: C₆H₆ + CH₃COCl → C₆H₅COCH₃ + HCl

Pavyzdžiai:

• Benzenas (C₆H₆) - naudojamas kaip tirpiklis, daugelio cheminių medžiagų sintezės žaliava.
• Toluenas (metilbenzenas, C₆H₅CH₃) - naudojamas kaip tirpiklis, sprogmenų gamyboje.
• Naftalinas (C₁₀H₈) - naudojamas kandžių naikinimui.

Apibendrinimas: Arenai yra tarsi angliavandenilių šeimos "aristokratai", turintys ypatingą aromatinę žiedo struktūrą, kuri suteikia jiems stabilumą. Jie linkę dalyvauti elektrofilinės pakaitos, o ne prijungimo reakcijose.

2. Funkcinės grupės ir organinių junginių klasės

Funkcinė grupė - tai atomų grupė organinio junginio molekulėje, lemianti to junginio chemines savybes ir reaktingumą. Tai tarsi "vizitinė kortelė", pagal kurią galima atpažinti organinių junginių klasę ir prognozuoti jų elgesį cheminėse reakcijose.

Organiniai junginiai, turintys tą pačią funkcinę grupę, priklauso tai pačiai organinių junginių klasei ir turi panašias chemines savybes.

Panagrinėkime keletą svarbiausių funkcinių grupių ir atitinkamas organinių junginių klases:

Alkoholiai

Alkoholiai - tai organiniai junginiai, turintys hidroksilo grupę (-OH), prijungtą prie anglies atomo.

• Bendroji formulė: R-OH, kur R - alkilo grupė.
• Pavadinimai: Alkoholių pavadinimai sudaromi prie atitinkamo angliavandenilio pavadinimo pridedant priesagą -olis. Pvz., metanolis (CH₃OH), etanolis (C₂H₅OH), propanolis (C₃H₇OH).
• Savybės: Paprastieji alkoholiai yra skysčiai, tirpūs vandenyje (dėl vandenilinių ryšių tarp -OH grupių ir vandens molekulių). Jų virimo temperatūra yra aukštesnė nei atitinkamų angliavandenilių.
• Reakcijos:
  • Rūgštinės savybės: ➡️ Alkoholiai gali atskelti H⁺ joną nuo hidroksilo grupės, elgdamiesi kaip silpnos rūgštys. Jie reaguoja su aktyviais metalais, pvz., natriu, sudarydami alkoholiatus ir išskirdami vandenilio dujas. Pvz., 2CH₃CH₂OH + 2Na → 2CH₃CH₂ONa + H₂
  • Dehidratacija: ➡️ Kaitinant alkoholius su koncentruota sieros rūgštimi (H₂SO₄), vyksta dehidratacijos reakcija, kurios metu nuo alkoholio molekulės atskeliamas vanduo ir susidaro alkenas. Pvz., etanolio dehidratacija: CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O
  • Oksidacija: ➡️ Pirminiai alkoholiai oksiduojasi į aldehidus, o po to į karboksirūgštis. Antriniai alkoholiai oksiduojasi į ketonus. Tretiniai alkoholiai oksidacijai atsparūs. Pvz., etanolio oksidacija: CH₃CH₂OH → CH₃CHO (etanalis) → CH₃COOH (etano rūgštis)
  • Reakcijos su halogenvandeniliais: ➡️ Alkoholiai reaguoja su halogenvandeniliais (pvz., HCl, HBr), sudarydami halogenalkanus ir vandenį. Pvz., etanolio reakcija su HBr: CH₃CH₂OH + HBr → CH₃CH₂Br + H₂O
  • Esterifikacija: ➡️ Alkoholiai reaguoja su karboksirūgštimis, sudarydami esterius ir vandenį. Ši reakcija bus aptarta vėliau.

Pavyzdžiai:

• Metanolis (CH₃OH) - naudojamas kaip tirpiklis, antifrizo komponentas.
• Etanolis (C₂H₅OH) - naudojamas kaip tirpiklis, dezinfekantas, alkoholinių gėrimų sudedamoji dalis.
• Propan-2-olis (izopropanolis, (CH₃)₂CHOH) - naudojamas kaip tirpiklis, dezinfekantas.

Apibendrinimas: Alkoholiai yra tarsi "hidratuoti" angliavandeniliai, turintys hidroksilo grupę (-OH), kuri lemia jų tirpumą vandenyje ir gebėjimą dalyvauti įvairiose reakcijose, tokiose kaip dehidratacija, oksidacija ir esterifikacija.

Aldehidai ir ketonai

Aldehidai ir ketonai - tai organiniai junginiai, turintys karbonilo grupę (C=O).

• Aldehiduose karbonilo grupė yra molekulės gale, t.y., karbonilo anglies atomas yra susijungęs su vandenilio atomu ir angliavandenilio grandine (arba kitu vandenilio atomu formaldehido atveju). Bendroji formulė: R-CHO.

• Ketonuose karbonilo grupė yra molekulės viduje, t.y., karbonilo anglies atomas yra susijungęs su dviem angliavandenilio grandinėmis. Bendroji formulė: R-CO-R'.

• Pavadinimai:

  • Aldehidų pavadinimai sudaromi prie atitinkamo angliavandenilio pavadinimo pridedant priesagą -alis. Pvz., metanalis (formaldehidas, HCHO), etanalis (acetaldehidas, CH₃CHO), propanalis (CH₃CH₂CHO).
  • Ketonų pavadinimai sudaromi prie atitinkamo angliavandenilio pavadinimo pridedant priesagą -onas, nurodant karbonilo grupės padėtį skaičiumi. Pvz., propanonas (acetonas, CH₃COCH₃), butanonas (CH₃COCH₂CH₃), pentan-2-onas (CH₃COCH₂CH₂CH₃).

• Savybės: Aldehidai ir ketonai yra polinės molekulės dėl polinio C=O ryšio. Jų virimo temperatūra yra aukštesnė nei atitinkamų angliavandenilių, bet žemesnė nei atitinkamų alkoholių. Mažieji aldehidai ir ketonai tirpsta vandenyje.

• Reakcijos:

  • Oksidacija: ➡️ Aldehidai lengvai oksiduojasi į karboksirūgštis. Ketonai oksidacijai atsparesni, bet stiprūs oksidatoriai gali juos oksiduoti skaidydami C-C ryšį.
  • Redukcija: ➡️ Aldehidai ir ketonai gali būti redukuojami vandeniliu (H₂), dalyvaujant katalizatoriui (pvz., Ni, Pt), sudarydami atitinkamai pirminius ir antrinius alkoholius. Pvz., propanalio redukcija: CH₃CH₂CHO + H₂ → CH₃CH₂CH₂OH
  • Nukleofilinio prijungimo reakcijos: ➡️ Dėl polinio C=O ryšio karbonilo anglies atomas turi dalinį teigiamą krūvį, todėl yra atakuojamas nukleofilų (dalelių, turinčių elektronų porą). Prie karbonilo grupės gali prisijungti įvairūs nukleofilai, pvz., cianido jonas (CN⁻), alkoholių molekulės, vanduo.

Pavyzdžiai:

• Metanalis (formaldehidas, HCHO) - naudojamas kaip dezinfekantas, konservantas, plastikų gamyboje.
• Etanalis (acetaldehidas, CH₃CHO) - naudojamas acto rūgšties, kitų cheminių medžiagų gamyboje.
• Propanonas (acetonas, CH₃COCH₃) - naudojamas kaip tirpiklis, nagų lako valiklio sudedamoji dalis.

Apibendrinimas: Aldehidai ir ketonai yra tarsi "dviveidžiai" organiniai junginiai, turintys karbonilo grupę (C=O), kuri lemia jų poliškumą ir gebėjimą dalyvauti nukleofilinio prijungimo reakcijose. Aldehidai lengvai oksiduojasi, o ketonai - ne.

Karboksirūgštys

Karboksirūgštys - tai organiniai junginiai, turintys karboksigrupę (-COOH).

• Bendroji formulė: R-COOH.
• Pavadinimai: Karboksirūgščių pavadinimai sudaromi prie atitinkamo angliavandenilio pavadinimo pridedant priesagą -o rūgštis. Pvz., metano rūgštis (skruzdžių rūgštis, HCOOH), etano rūgštis (acto rūgštis, CH₃COOH), propano rūgštis (CH₃CH₂COOH).
• Savybės: Karboksirūgštys yra silpnos rūgštys, tirpios vandenyje (mažosios karboksirūgštys). Jų virimo temperatūra yra aukštesnė nei atitinkamų alkoholių dėl stiprių vandenilinių ryšių tarp karboksigrupių.
• Reakcijos:
  • Rūgštinės savybės: ➡️ Karboksirūgštys disocijuoja vandenyje, atskeldamos H⁺ joną ir sudarydamos karboksilato anijoną: R-COOH ⇌ R-COO⁻ + H⁺. Jos reaguoja su bazėmis, sudarydamos druskas ir vandenį. Pvz., acto rūgšties reakcija su natrio hidroksidu: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O
  • Esterifikacija: ➡️ Karboksirūgštys reaguoja su alkoholiais, dalyvaujant rūgštiniam katalizatoriui (pvz., koncentruotai H₂SO₄), sudarydamos esterius ir vandenį. Pvz., acto rūgšties reakcija su etanoliu: CH₃COOH + CH₃CH₂OH ⇌ CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O
  • Redukcija: ➡️ Karboksirūgštys gali būti redukuojamos stipriais reduktoriais (pvz., ličio aliuminio hidridu, LiAlH₄) į pirminius alkoholius.
  • Druskų susidarymas: ➡️ Karboksirūgštys reaguoja su metalais, metalų oksidais ir hidroksidais, sudarydamos druskas.

Pavyzdžiai:

• Metano rūgštis (skruzdžių rūgštis, HCOOH) - randama skruzdėlių ir bičių ядe, naudojama kaip konservantas.
• Etano rūgštis (acto rūgštis, CH₃COOH) - acto sudėtinė dalis, naudojama maisto pramonėje, chemijos pramonėje.
• Butano rūgštis (sviesto rūgštis, CH₃CH₂CH₂COOH) - randama svieste, suteikia jam specifinį kvapą.

Apibendrinimas: Karboksirūgštys yra tarsi "rūgštūs" organiniai junginiai, turintys karboksigrupę (-COOH), kuri lemia jų rūgštines savybes ir gebėjimą dalyvauti esterifikacijos reakcijose.

Esteriai

Esteriai - tai organiniai junginiai, susidarantys karboksirūgščiai reaguojant su alkoholiu.

• Bendroji formulė: R-COO-R', kur R ir R' - angliavandenilio radikalai.
• Pavadinimai: Esterių pavadinimai sudaromi iš alkoholio pavadinimo, pakeičiant galūnę -olis į -ilo, ir karboksirūgšties pavadinimo, pakeičiant galūnę -o rūgštis į -atas. Pvz., etilo etanoatas (etilo acetatas, CH₃COOCH₂CH₃) - susidaro iš etanolio ir acto rūgšties.
• Savybės: Esteriai dažnai yra lakūs, kvapnūs junginiai, naudojami parfumerijoje ir maisto pramonėje kaip kvapikliai. Jie netirpsta vandenyje, bet tirpsta organiniuose tirpikliuose.
• Reakcijos:
  • Hidrolizė: ➡️ Esteriai gali būti hidrolizuojami, t.y., skaidomi vandeniu, rūgščių arba šarmų vandeninių tirpalų. Rūgštinės hidrolizės metu susidaro karboksirūgštis ir alkoholis. Šarminės hidrolizės metu susidaro karboksirūgšties druska ir alkoholis. Pvz., etilo etanoato hidrolizė: CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O ⇌ CH₃COOH + CH₃CH₂OH
  • Muilinimas: ➡️ Esterių šarminė hidrolizė vadinama muilinimu, nes riebalų (ilgagrandininių karboksirūgščių esterių su gliceroliu) muilinimo metu susidaro muilai (ilgagrandininių karboksirūgščių natrio arba kalio druskos).

Pavyzdžiai:

• Etilo etanoatas (etilo acetatas, CH₃COOCH₂CH₃) - naudojamas kaip tirpiklis, nagų lako valiklio sudedamoji dalis.
• Etilo butanoatas (CH₃CH₂CH₂COOCH₂CH₃) - turi ananasų kvapą.
• Izopentilo etanoatas ((CH₃)₂CHCH₂CH₂OOCCH₃) - turi bananų kvapą.
• Riebalai ir aliejai - glicerolio ir ilgagrandininių karboksirūgščių esteriai.

Apibendrinimas: Esteriai yra tarsi "kvapnūs" organiniai junginiai, susidarantys iš karboksirūgščių ir alkoholių. Jie plačiai naudojami parfumerijoje ir maisto pramonėje.

Aminai

Aminai - tai organiniai junginiai, kurių molekulėse yra aminogrupė (-NH₂), -NHR arba -NR₂, kur R - angliavandenilio radikalas. Aminai yra amoniako (NH₃) dariniai, kuriuose vienas, du ar trys vandenilio atomai yra pakeisti angliavandenilio radikalais.

• Klasifikacija:
  • Pirminiai aminai: 🥇 Turi vieną angliavandenilio radikalą, prijungtą prie azoto atomo (R-NH₂).
  • Antriniai aminai: 🥈 Turi du angliavandenilio radikalus, prijungtus prie azoto atomo (R-NH-R').
  • Tretiniai aminai: 🥉 Turi tris angliavandenilio radikalus, prijungtus prie azoto atomo (R-N(R')-R'').
• Pavadinimai:
  • Paprastųjų aminų pavadinimai sudaromi prie žodžio aminas pridedant prie azoto atomo prisijungusių angliavandenilio radikalų pavadinimus. Pvz., metilaminas (CH₃NH₂), etilmetilaminas (CH₃CH₂NHCH₃), trietilaminas ((CH₃CH₂)₃N).
  • Sudėtingesnių aminų pavadinimai sudaromi pagal IUPAC nomenklatūros taisykles, laikant aminogrupę pakaitu.
• Savybės: Mažieji aminai yra dujos arba lakūs skysčiai, turintys aštrų, nemalonų kvapą (panašų į amoniako). Aminai yra silpnos bazės, nes azoto atomas turi laisvą elektronų porą, kurią gali atiduoti protonui. Jie tirpsta vandenyje, sudarydami šarminius tirpalus.
• Reakcijos:
  • Bazinės savybės: ➡️ Aminai reaguoja su rūgštimis, sudarydami druskas. Pvz., metilamino reakcija su druskos rūgštimi: CH₃NH₂ + HCl → CH₃NH₃⁺Cl⁻ (metilamonio chloridas)
  • Nukleofilinės savybės: ➡️ Dėl laisvos elektronų poros ant azoto atomo, aminai yra geri nukleofilai ir gali dalyvauti įvairiose reakcijose, pvz., reaguoti su alkilhalogenidais, sudarydami sudėtingesnius aminus.
  • Acilinimas: ➡️ Pirminiai ir antriniai aminai reaguoja su acilhalogenidais arba rūgščių anhidridais, sudarydami amidus.

Pavyzdžiai:

• Metilaminas (CH₃NH₂) - naudojamas kaip tarpinis produktas dažų, vaistų gamyboje.
• Anilinas (C₆H₅NH₂) - naudojamas dažų, vaistų, sprogmenų gamyboje.
• Dietilaminas ((C₂H₅)₂NH) - naudojamas gumos gamyboje, kaip korozijos inhibitorius.

Apibendrinimas: Aminai yra tarsi "azotiniai" organiniai junginiai, turintys aminogrupę, kuri lemia jų bazines ir nukleofilines savybes. Jie yra svarbūs tarpiniai produktai chemijos pramonėje.

Amidai

Amidai - tai organiniai junginiai, turintys amido grupę (-CONH-). Jie yra karboksirūgščių dariniai, kuriuose hidroksilo grupė (-OH) yra pakeista aminogrupe (-NH₂, -NHR arba -NR₂).

• Bendroji formulė: R-CONH₂, R-CONHR' arba R-CON(R')R'', kur R ir R' - angliavandenilio radikalai.
• Pavadinimai: Amidų pavadinimai sudaromi prie atitinkamos karboksirūgšties pavadinimo pridedant priesagą -amidas. Pvz., etanamidas (acetamidas, CH₃CONH₂), N-metilpropanamidas (CH₃CH₂CONHCH₃).
• Savybės: Paprastieji amidai yra kietos kristalinės medžiagos, tirpios vandenyje. Jų virimo temperatūra yra aukštesnė nei atitinkamų karboksirūgščių dėl stiprių vandenilinių ryšių tarp amido grupių.
• Reakcijos:
  • Hidrolizė: ➡️ Amidai gali būti hidrolizuojami, t.y., skaidomi vandeniu, rūgščių arba šarmų vandeninių tirpalų. Rūgštinės hidrolizės metu susidaro karboksirūgštis ir amonio druska. Šarminės hidrolizės metu susidaro karboksirūgšties druska ir amoniakas arba atitinkamas aminas.
  • Redukcija: ➡️ Amidai gali būti redukuojami stipriais reduktoriais (pvz., ličio aliuminio hidridu, LiAlH₄) į aminus.

Pavyzdžiai:

• Etanamidas (acetamidas, CH₃CONH₂) - naudojamas kaip tirpiklis, plastikų gamyboje.
• Karbamidas (urėja, (NH₂)₂CO) - galutinis baltymų apykaitos produktas, naudojamas kaip trąša, plastikų gamyboje.
• Nailonas - poliamidas, gaunamas polimerizuojant diamidą ir dikarboksirūgštį.

Apibendrinimas: Amidai yra tarsi "sujungti" karboksirūgštys ir aminai, turintys amido grupę, kuri lemia jų savybes ir gebėjimą dalyvauti hidrolizės reakcijose. Jie yra svarbūs junginiai, naudojami įvairiose srityse.

Nitrilai

Nitrilai - tai organiniai junginiai, turintys ciano grupę (-C≡N).

• Bendroji formulė: R-C≡N, kur R - angliavandenilio radikalas.
• Pavadinimai: Nitrilų pavadinimai sudaromi prie atitinkamo angliavandenilio pavadinimo pridedant priesagą -nitrilas. Pvz., etannitrilas (acetonitrilas, CH₃CN), propannitrilas (CH₃CH₂CN).
• Savybės: Nitrilai yra polinės molekulės, mažieji nitrilai tirpsta vandenyje. Jų virimo temperatūra yra aukštesnė nei atitinkamų angliavandenilių.
• Reakcijos:
  • Hidrolizė: ➡️ Nitrilai gali būti hidrolizuojami rūgščių arba šarmų vandeninių tirpalų, sudarydami atitinkamai karboksirūgštis arba jų druskas ir amoniaką. Pvz., etannitrilo hidrolizė: CH₃CN + 2H₂O + H⁺ → CH₃COOH + NH₄⁺
  • Redukcija: ➡️ Nitrilai gali būti redukuojami vandeniliu (H₂), dalyvaujant katalizatoriui (pvz., Ni, Pt), sudarydami pirminius aminus. Pvz., etannitrilo redukcija: CH₃CN + 2H₂ → CH₃CH₂NH₂
  • Reakcijos su Grignard'o reagentais: ➡️ Nitrilai reaguoja su Grignard'o reagentais, sudarydami ketonus.

Pavyzdžiai:

• Etannitrilas (acetonitrilas, CH₃CN) - naudojamas kaip tirpiklis, organinėje sintezėje.
• Benzonitrilas (C₆H₅CN) - naudojamas dažų, vaistų gamyboje.

Apibendrinimas: Nitrilai yra tarsi "cianidiniai" organiniai junginiai, turintys ciano grupę, kuri lemia jų gebėjimą dalyvauti hidrolizės ir redukcijos reakcijose. Jie yra svarbūs tarpiniai produktai organinėje sintezėje.

Halogenalkanai (halogeninti angliavandeniliai)

Halogenalkanai - tai organiniai junginiai, kurių molekulėse yra halogeno atomų (-F, -Cl, -Br, -I), prijungtų prie anglies atomo.

• Bendroji formulė: R-X, kur R - alkilo grupė, X - halogeno atomas.
• Pavadinimai: Halogenalkanų pavadinimai sudaromi nurodant halogeno atomo pavadinimą (pvz., chlor-, brom-) ir vietą angliavandenilio grandinėje, o po to pridedant atitinkamo angliavandenilio pavadinimą. Pvz., 1-chlorpropanas (CH₃CH₂CH₂Cl), 2-brombutanas (CH₃CHBrCH₂CH₃).
• Savybės: Halogenalkanai yra nepolinės arba silpnai polinės molekulės (priklausomai nuo halogeno atomo elektroneigiamumo), netirpios vandenyje. Jų virimo temperatūra yra aukštesnė nei atitinkamų angliavandenilių.
• Reakcijos:
  • Nukleofilinio pakeitimo reakcijos (SN): ➡️ Halogenalkanai reaguoja su nukleofilais (pvz., OH⁻, CN⁻, NH₃), kurie pakeičia halogeno atomą kitu atomu ar atomų grupe. Pvz., 1-chlorpropano reakcija su NaOH: CH₃CH₂CH₂Cl + NaOH → CH₃CH₂CH₂OH + NaCl
  • Eliminavimo reakcijos (E): ➡️ Halogenalkanai, veikiami stiprių bazių, gali eliminuoti vandenilio halogenido (HX) molekulę, sudarydami alkenus. Pvz., 2-brombutano eliminavimo reakcija: CH₃CHBrCH₂CH₃ + KOH → CH₃CH=CHCH₃ + KBr + H₂O

Pavyzdžiai:

• Chlormetanas (metilchloridas, CH₃Cl) - naudojamas kaip šaldymo agentas, organinėje sintezėje.
• 1,2-dichloretanas (CH₂Cl-CH₂Cl) - naudojamas kaip tirpiklis, PVC gamyboje.
• Bromoformas (tribrommetanas, CHBr₃) - naudojamas kaip raminamasis vaistas.

Apibendrinimas: Halogenalkanai yra tarsi "halogenizuoti" angliavandeniliai, turintys vieną ar kelis halogeno atomus, kurie lemia jų gebėjimą dalyvauti nukleofilinio pakeitimo ir eliminavimo reakcijose. Jie plačiai naudojami pramonėje ir organinėje sintezėje.

3. Homologija ir izomerija

Homologai

Homologai - tai organiniai junginiai, priklausantys tai pačiai homologinei eilei ir besiskiriantys vienas nuo kito vienu arba keliais -CH₂- fragmentais, vadinamais homologiniu skirtumu.

Homologinė eilė - tai organinių junginių, turinčių tą pačią funkcinę grupę ir panašią cheminę struktūrą, seka, kurioje kiekvienas narys skiriasi nuo kito pastoviu skirtumu (-CH₂-).

Pavyzdžiui, alkanų homologinė eilė prasideda metanu (CH₄), toliau eina etanas (CH₃CH₃), propanas (CH₃CH₂CH₃), butanas (CH₃CH₂CH₂CH₃) ir t.t. Kiekvienas šios eilės narys skiriasi nuo kito -CH₂- grupe.

Homologų savybės:

• Homologai turi panašias chemines savybes, nes turi tą pačią funkcinę grupę (arba jos neturi, kaip alkanų atveju).
• Jų fizikinės savybės (pvz., virimo temperatūra, lydymosi temperatūra, tankis) taisyklingai kinta didėjant anglies atomų skaičiui molekulėje. Paprastai didėjant molekulinei masei, didėja virimo ir lydymosi temperatūros.

Apibendrinimas: Homologai yra tarsi "giminaičiai" organinių junginių pasaulyje, kurie skiriasi vienas nuo kito tik anglies atomų skaičiumi grandinėje. Jie turi panašias chemines savybes, bet jų fizikinės savybės taisyklingai kinta.

Izomerai

Izomerai - tai junginiai, turintys tą pačią molekulinę formulę (t.y., tą patį atomų skaičių ir rūšį), bet skirtingą struktūrą, t.y., skirtingą atomų išsidėstymą erdvėje. Dėl skirtingos struktūros izomerai turi skirtingas fizikines ir chemines savybes.

Izomerijos rūšys:

• Struktūrinė izomerija: Izomerai skiriasi atomų jungimosi tvarka molekulėje. Struktūriniai izomerai gali būti:
  • Grandininiai izomerai: Skiriasi anglies atomų grandinės struktūra (tiesi grandinė, šakota grandinė). Pvz., butanas (CH₃CH₂CH₂CH₃) ir 2-metilpropanas (CH₃CH(CH₃)CH₃) yra grandininiai izomerai.
  • Padėties izomerai: Skiriasi funkcinės grupės arba pakaito padėtimi anglies atomų grandinėje. Pvz., 1-chlorpropanas (CH₃CH₂CH₂Cl) ir 2-chlorpropanas (CH₃CHClCH₃) yra padėties izomerai.
  • Funkcinių grupių izomerai: Skiriasi funkcine grupe. Pvz., etanolis (CH₃CH₂OH) ir dimetileteris (CH₃OCH₃) yra funkcinių grupių izomerai.
• Erdvinė izomerija (stereoizomerija): Izomerai turi tą pačią atomų jungimosi tvarką, bet skiriasi atomų išsidėstymu erdvėje. Erdviniai izomerai gali būti:
  • Geometriniai izomerai (cis-trans izomerai): Būdingi alkenams ir cikliniams junginiams. Jie skiriasi pakaitų išsidėstymu erdvėje prie dvigubo ryšio arba cikle. Pvz., cis-but-2-enas ir trans-but-2-enas yra geometriniai izomerai.
  • Optiniai izomerai (enantiomerai): Tai izomerai, kurie yra vienas kito veidrodiniai atspindžiai, nesutapdinami erdvėje. Jie turi chiralinį centrą - anglies atomą, susijungusį su keturiais skirtingais pakaitais. Optiniai izomerai vienodai, bet į priešingas puses suka poliarizuotos šviesos plokštumą. Pvz., pieno rūgšties enantiomerai.

Apibendrinimas: Izomerai yra tarsi "dvyniai" organinių junginių pasaulyje, turintys tą pačią "genetinę informaciją" (molekulinę formulę), bet skirtingą "išvaizdą" (struktūrą). Dėl skirtingos struktūros jie skiriasi savo savybėmis.

Izomerijos pavyzdžiai:

Svarbu pabrėžti, kad izomerai yra skirtingi junginiai, turintys skirtingas savybes, nors jų molekulinė formulė yra ta pati. Izomerijos reiškinys labai praplečia organinių junginių įvairovę.

4. Organinės chemijos reakcijų mechanizmai

Šis poskyris trumpai supažindins su pagrindiniais organinių reakcijų mechanizmų tipais, nes programa nereikalauja detalaus nagrinėjimo.

Reakcijos mechanizmas - tai detalus reakcijos vyksmo aprašymas, parodantis, kaip ir kokia tvarka nutrūksta ir susidaro cheminiai ryšiai, kaip juda elektronai ir kokie tarpiniai junginiai susidaro reakcijos metu.

Pagrindiniai organinių reakcijų mechanizmų tipai:

• Nukleofilinio pakeitimo (SN): ➡️ Reakcijos, kuriose nukleofilas (dalelė, turinti laisvą elektronų porą) pakeičia atomą arba atomų grupę (gerai pasišalinančią grupę) prie anglies atomo. Dažniausiai pasitaiko halogenalkanų reakcijose. Pvz., CH₃CH₂Br + OH⁻ → CH₃CH₂OH + Br⁻. Paprastai tariant, tai tarsi "vietų apsikeitimas", kai stipresnis nukleofilas išstumia silpnesnį.
• Elektrofilinio pakeitimo (SE): ➡️ Reakcijos, kuriose elektrofilas (dalelė, turinti teigiamą krūvį arba laisvą orbitalę) pakeičia atomą arba atomų grupę, dažniausiai vandenilio atomą, aromatiniame žiede. Pvz., benzeno nitrinimas: C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O. Paprastai tariant, tai tarsi "įsibrovimas" į aromatinį žiedą, kai elektrofilas pakeičia vandenilio atomą.
• Prijungimo (Ad): ➡️ Reakcijos, kuriose dvi molekulės jungiasi, sudarydamos vieną produktą. Dažniausiai pasitaiko alkenų ir alkinų reakcijose, kai prie dvigubo ar trigubo ryšio prisijungia kita molekulė. Pvz., eteno hidrinimas: CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃. Paprastai tariant, tai tarsi "susijungimas", kai dvi molekulės tampa viena, panaudojant dvigubą arba trigubą ryšį.
• Eliminavimo (E): ➡️ Reakcijos, kuriose nuo molekulės atskeliama maža molekulė (pvz., H₂O, HCl, HBr), susidarant dvigubam arba trigubam ryšiui. Pvz., etanolio dehidratacija: CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O. Paprastai tariant, tai tarsi "atsiskyrimas", kai nuo molekulės atskyla maža dalis, palikdama dvigubą arba trigubą ryšį.
• Laisvųjų radikalų reakcijos: ➡️ Reakcijos, kuriose dalyvauja laisvieji radikalai - dalelės, turinčios nesuporuotą elektroną. Šios reakcijos dažnai vyksta grandininiu mechanizmu. Pvz., alkanų halogeninimas šviesoje. Paprastai tariant, tai tarsi reakcijos, kuriose dalyvauja "vienišos" dalelės (laisvieji radikalai), ieškančios poros.

Svarbu suprasti: Šis poskyris skirtas tik susipažinti su reakcijų mechanizmų įvairove. Detalus kiekvieno mechanizmo nagrinėjimas nėra įtrauktas į A lygio programą.

Apibendrinimas: Organinės reakcijos vyksta tam tikrais mechanizmais, kuriuos galima suprasti kaip elektronų judėjimą ir ryšių persiskirstymą. Pagrindiniai mechanizmų tipai yra nukleofilinio ir elektrofilinio pakeitimo, prijungimo, eliminavimo ir laisvųjų radikalų reakcijos.

5. Pagrindinės organinės chemijos reakcijos

Šiame poskyryje apžvelgsime svarbiausias organinių junginių reakcijas, suskirstytas pagal funkcines grupes ir reakcijų tipus, atsižvelgiant į programos reikalavimus.

Angliavandenilių reakcijos:

• Alkanų halogeninimas (laisvųjų radikalų pakaitalas): ➡️ Pvz., CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (šviesoje).
• Alkenų ir alkinų prijungimo reakcijos:
  • Hidrinimas (katalizatorius Pt, Pd arba Ni): ➡️ Pvz., CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃
  • Halogeninimas: ➡️ Pvz., CH₂=CH₂ + Br₂ → CH₂Br-CH₂Br
  • Hidrohalogeninimas: ➡️ Pvz., CH₂=CH₂ + HCl → CH₃-CH₂Cl
  • Hidratacija (rūgštinis katalizatorius): ➡️ Pvz., CH₂=CH₂ + H₂O → CH₃-CH₂OH
• Arenų elektrofilinio pakeitimo reakcijos:
  • Halogeninimas (katalizatorius FeCl₃ arba AlCl₃): ➡️ Pvz., C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl
  • Nitrinimas (konc. HNO₃ ir konc. H₂SO₄): ➡️ Pvz., C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O
  • Sulfoninimas (konc. H₂SO₄ arba SO₃): ➡️ Pvz., C₆H₆ + H₂SO₄ → C₆H₅SO₃H + H₂O
  • Alkilinimas (Fridelio-Kraftso, katalizatorius AlCl₃): ➡️ Pvz., C₆H₆ + CH₃Cl → C₆H₅CH₃ + HCl
  • Acilinimas (Fridelio-Kraftso, katalizatorius AlCl₃): ➡️ Pvz., C₆H₆ + CH₃COCl → C₆H₅COCH₃ + HCl

Alkoholių reakcijos:

• Dehidratacija (konc. H₂SO₄, kaitinimas): ➡️ Pvz., CH₃CH₂OH → CH₂=CH₂ + H₂O
• Oksidacija (K₂Cr₂O₇ arba KMnO₄, rūgštinė terpė):
  • Pirminiai alkoholiai → aldehidai → karboksirūgštys
  • Antriniai alkoholiai → ketonai
• Reakcija su vandenilio halogenidais: ➡️ Pvz., CH₃CH₂OH + HBr → CH₃CH₂Br + H₂O
• Esterifikacija (su karboksirūgštimis, rūgštinis katalizatorius): ➡️ Pvz., CH₃CH₂OH + CH₃COOH ⇌ CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O

Aldehidų ir ketonų reakcijos:

• Oksidacija (Tolenso, Felingo reagentai): ➡️ Aldehidai oksiduojasi į karboksirūgštis, ketonai atsparūs.
• Redukcija (H₂, katalizatorius Ni arba Pt): ➡️ Aldehidai → pirminiai alkoholiai, ketonai → antriniai alkoholiai.
• Nukleofilinio prijungimo reakcijos: ➡️ Pvz., reakcijos su alkoholiais, cianido jonu.

Karboksirūgščių reakcijos:

• Rūgštinės savybės (reakcijos su bazėmis, metalais): ➡️ Pvz., CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O
• Esterifikacija (su alkoholiais, rūgštinis katalizatorius): ➡️ Pvz., CH₃COOH + CH₃CH₂OH ⇌ CH₃COOCH₂CH₃ + H₂O
• Redukcija (LiAlH₄): ➡️ Karboksirūgštys → pirminiai alkoholiai.

Kitų funkcinių grupių reakcijos:

• Amidų hidrolizė (rūgštinė arba šarminė): ➡️ Amidai → karboksirūgštys + aminai.
• Nitrilų hidrolizė (rūgštinė arba šarminė): ➡️ Nitrilai → karboksirūgštys + amoniakas.
• Nitrilų redukcija (H₂, katalizatorius): ➡️ Nitrilai → pirminiai aminai.

Svarbu pabrėžti: Šis sąrašas nėra baigtinis, bet apima svarbiausias reakcijas, numatytas A lygio programoje. Kiekvienos reakcijos atveju svarbu žinoti reakcijos sąlygas (katalizatorius, temperatūra) ir susidarančius produktus.

Apibendrinimas: Organinių junginių reakcijų įvairovė yra didžiulė. Svarbiausios reakcijos yra prijungimo (būdinga alkenams ir alkinams), pakeitimo (būdinga alkanams ir arenams), dehidratacijos (alkoholiams), oksidacijos (alkoholiams, aldehidams), redukcijos (aldehidams, ketonams, nitrilams, amidams), esterifikacijos (alkoholiams ir karboksirūgštims), hidrolizės (esteriams, amidams, nitrilams) ir neutralizacijos (rūgštims ir bazėms).

6. Organinių junginių gavimas ir atpažinimas

Šiame poskyryje apibendrintai pateikiamos pagrindinių organinių junginių klasių gavimo reakcijos ir kokybinės atpažinimo reakcijos, kurios buvo išsamiau aptartos ankstesniuose skyriuose. Tai tarsi santrauka, leidžianti greitai prisiminti svarbiausius organinių junginių gavimo ir identifikavimo būdus.

6.1. Gavimas

Žemiau pateikiama lentelė, kurioje apibendrintai nurodomi pagrindinių organinių junginių klasių gavimo būdai. Išsamesnį aprašymą ir reakcijų lygtis rasite ankstesniuose skyriuose.

6.2. Atpažinimas

Žemiau pateikiama lentelė, kurioje apibendrintai nurodomos pagrindinių organinių junginių klasių kokybinės atpažinimo reakcijos. Išsamesnį aprašymą ir reakcijų lygtis rasite ankstesniuose skyriuose.

7. Gyvybės chemija

Šis poskyris trumpai apžvelgs pagrindines biomolekules ir jų funkcijas, remiantis A lygio chemijos programa ir siejant su biologijos kursu.

Pagrindinės biomolekulių klasės:

• Baltymai: 🥩 Tai biopolimerai, sudaryti iš aminorūgščių, sujungtų peptidiniu ryšiu. Baltymai atlieka įvairias funkcijas:
  • Katalizinė: Fermentai katalizuoja biochemines reakcijas.
  • Struktūrinė: Kolagenas, keratinas suteikia tvirtumo audiniams.
  • Transportinė: Hemoglobinas perneša deguonį kraujyje.
  • Apsauginė: Antikūnai kovoja su infekcijomis.
  • Judėjimo: Aktinas ir miozinas dalyvauja raumenų susitraukime.
  • Reguliacinė: Hormonai reguliuoja įvairius procesus organizme.

Paprastai tariant, baltymai yra tarsi "darbiniai arkliukai" ląstelėje, atliekantys daugybę gyvybiškai svarbių funkcijų.

• Angliavandeniai: 🥖 Tai junginiai, sudaryti iš anglies, vandenilio ir deguonies, kurių bendroji formulė dažniausiai yra Cₙ(H₂O)ₙ. Jie skirstomi į:
  • Monosacharidus: Paprastieji cukrūs, pvz., gliukozė, fruktozė.
  • Disacharidus: Sudaryti iš dviejų monosacharidų, pvz., sacharozė, laktozė.
  • Polisacharidus: Sudaryti iš daugybės monosacharidų, pvz., krakmolas, glikogenas, celiuliozė.

Angliavandenių funkcijos:

Paprastai tariant, angliavandeniai yra tarsi "kuras" ir "statybinės medžiagos" ląstelėse.

• Lipidai: எண்ணெய் Tai įvairios struktūros junginiai, netirpūs vandenyje, bet tirpūs organiniuose tirpikliuose. Svarbiausi lipidai:
  • Riebalai ir aliejai: Trigliceroliai - glicerolio ir riebalų rūgščių esteriai.
  • Fosfolipidai: Sudėtiniai lipidai, turintys hidrofilinę "galvą" ir hidrofobinę "uodegą". Jie yra pagrindinė ląstelių membranų sudedamoji dalis.
  • Steroidai: Cikliniai lipidai, pvz., cholesterolis, lytiniai hormonai.

Lipidų funkcijos:

Paprastai tariant, lipidai yra tarsi "izoliacija", "apsauga" ir "reguliatoriai" ląstelėse.

• Nukleorūgštys: 🧬 Tai biopolimerai, sudaryti iš nukleotidų. Yra dvi pagrindinės nukleorūgščių rūšys:
  • DNR (dezoksiribonukleorūgštis): Saugo genetinę informaciją.
  • RNR (ribonukleorūgštis): Dalyvauja baltymų sintezėje.

Nukleorūgščių funkcijos:

Paprastai tariant, nukleorūgštys yra tarsi "instrukcijų knygos" ląstelėje, kuriose užkoduota visa informacija apie organizmą.

Apibendrinimas: Gyvybės chemija remiasi keturiomis pagrindinėmis biomolekulių klasėmis: baltymais, angliavandeniais, lipidais ir nukleorūgštimis. Kiekviena iš jų turi savo unikalią struktūrą ir atlieka gyvybiškai svarbias funkcijas ląstelėje ir organizme.

VI. Chemijos pagrindai ir skaičiavimo uždaviniai

1. Cheminės reakcijos lygtis ir stechiometriniai skaičiavimai

Šiame poskyryje prisiminsime pagrindinius stechiometrijos principus ir išmoksime spręsti įvairius uždavinius, susijusius su cheminėmis reakcijomis.

Stechiometrija - tai chemijos sritis, nagrinėjanti kiekybinius medžiagų santykius cheminėse reakcijose. Ji remiasi masės tvermės dėsniu, kuris teigia, kad cheminės reakcijos metu bendra reagentų masė yra lygi bendrai produktų masei.

Svarbiausios sąvokos:

• Atominė masė (Ar): Cheminio elemento atomo masė, išreikšta atominiais masės vienetais (a.m.v.). Periodinėje lentelėje nurodoma santykinė atominė masė, kuri yra lygi vidutinei visų to elemento izotopų atominių masių vertei, atsižvelgiant į jų paplitimą gamtoje.
• Molekulinė masė (Mr): Molekulės masė, lygi visų ją sudarančių atomų atominių masių sumai.
• Molis (mol): Medžiagos kiekis, kuriame yra 6,022 x 10²³ dalelių (atomų, molekulių, jonų ar kt.). Šis skaičius vadinamas Avogadro skaičiumi (Nₐ).
• Molinė masė (M): Vieno molio medžiagos masė, išreikšta gramais. Molinė masė skaitine verte lygi medžiagos atominei arba molekulinei masei. Pvz., vandens (H₂O) molekulinė masė yra 18 a.m.v., todėl jo molinė masė yra 18 g/mol.

Cheminės reakcijos lygtis - tai simbolinis cheminės reakcijos užrašas, kuriame naudojamos cheminių elementų simboliai ir junginių formulės. Pvz., 2H₂ + O₂ → 2H₂O.

Stechiometriniai koeficientai - tai skaičiai, rašomi priešais cheminių junginių formules reakcijos lygtyje. Jie rodo, kiek kiekvienos medžiagos molekulių (arba molių) dalyvauja reakcijoje. Pvz., aukščiau pateiktoje lygtyje skaičius "2" priešais H₂ ir H₂O rodo, kad reakcijoje dalyvauja du moli vandenilio ir susidaro du moliai vandens.

Uždavinių sprendimo eiga:

1. Užrašome subalansuotą cheminės reakcijos lygtį.
2. Apskaičiuojame reagentų ir produktų molių skaičių, naudodami jų mases ir molines mases (moles = masė / molinė masė).
3. Pagal lygties stechiometrinius koeficientus nustatome reagentų ir produktų molių santykį.
4. Apskaičiuojame ieškomą dydį (masę, tūrį, dalelių skaičių).

Pavyzdžiai:

1 pavyzdys: Apskaičiuokite, kokia masė deguonies reikalinga visiškai sudeginti 8 g metano (CH₄).

Sprendimas:

1. Subalansuota reakcijos lygtis: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O
2. Apskaičiuojame metano molių skaičių: n(CH₄) = m(CH₄) / M(CH₄) = 8 g / 16 g/mol = 0,5 mol
3. Pagal lygties koeficientus, 1 mol CH₄ sudeginti reikia 2 mol O₂. Vadinasi, 0,5 mol CH₄ sudeginti reikia 0,5 mol * 2 = 1 mol O₂.
4. Apskaičiuojame deguonies masę: m(O₂) = n(O₂) * M(O₂) = 1 mol * 32 g/mol = 32 g

Atsakymas: Visiškai sudeginti 8 g metano reikia 32 g deguonies.

2 pavyzdys: Kiek gramų natrio chlorido susidarys, reaguojant 2,3 g natrio su pakankamu kiekiu chloro?

Sprendimas:

1. Subalansuota reakcijos lygtis: 2Na + Cl₂ → 2NaCl
2. Apskaičiuojame natrio molių skaičių: n(Na) = m(Na) / M(Na) = 2,3 g / 23 g/mol = 0,1 mol
3. Pagal lygties koeficientus, iš 2 mol Na susidaro 2 mol NaCl. Vadinasi, iš 0,1 mol Na susidarys 0,1 mol NaCl.
4. Apskaičiuojame natrio chlorido masę: m(NaCl) = n(NaCl) * M(NaCl) = 0,1 mol * 58,5 g/mol = 5,85 g

Atsakymas: Reaguojant 2,3 g natrio su chloru, susidarys 5,85 g natrio chlorido.

3 pavyzdys (sudėtingesnis):

Kaitinant kalcio karbonatą (CaCO₃), jis skyla į kalcio oksidą (CaO) ir anglies dioksidą (CO₂). Kiek gramų kalcio oksido susidarys, sudeginus 150 g CaCO₃, kuriame yra 10% priemaišų?

Sprendimas:

1. Subalansuota reakcijos lygtis: CaCO₃ → CaO + CO₂
2. Apskaičiuojame gryno CaCO₃ masę: Gryno CaCO₃ masė = 150 g * 0.90 (nes 10% priemaišų) = 135 g
3. Apskaičiuojame CaCO₃ molių skaičių: n(CaCO₃) = m(CaCO₃) / M(CaCO₃) = 135 g / 100 g/mol = 1.35 mol
4. Pagal lygties koeficientus, iš 1 mol CaCO₃ susidaro 1 mol CaO. Vadinasi, iš 1.35 mol CaCO₃ susidarys 1.35 mol CaO.
5. Apskaičiuojame CaO masę: m(CaO) = n(CaO) * M(CaO) = 1.35 mol * 56 g/mol = 75.6 g

Atsakymas: Sudeginus 150 g CaCO₃ su 10% priemaišų, susidarys 75.6 g kalcio oksido.

Apibendrinimas: Stechiometriniai skaičiavimai leidžia nustatyti kiekybinius ryšius tarp reagentų ir produktų cheminėse reakcijose. Sprendžiant uždavinius, svarbu teisingai užrašyti subalansuotą reakcijos lygtį, apskaičiuoti medžiagų molių skaičių ir, remiantis stechiometriniais koeficientais, nustatyti ieškomą dydį. Šie skaičiavimai yra neatsiejama chemijos mokslo dalis ir būtini norint sėkmingai atlikti cheminius eksperimentus bei spręsti praktines problemas.

2. Tirpalai ir jų koncentracija

Šiame poskyryje nagrinėsime tirpalus, jų sudėtį ir kiekybinę išraišką - koncentraciją.

Tirpalas - tai homogeninis (vienalytis) dviejų ar daugiau medžiagų mišinys. Medžiaga, kurios tirpale yra daugiau, vadinama tirpikliu, o mažiau - tirpiniu. Dažniausiai tirpiklis būna skystis, o tirpinys - kieta medžiaga, skystis arba dujos.

Tirpumas - tai medžiagos savybė tirpti tam tikrame tirpiklyje. Tirpumas priklauso nuo tirpinio ir tirpiklio prigimties, temperatūros ir slėgio (dujoms).

Tirpalo koncentracija - tai tirpinio kiekis tam tikrame tirpiklio arba tirpalo tūryje ar masėje. Koncentracija gali būti išreiškiama įvairiais būdais:

• Masės dalis (ω): Parodo, kiek gramų tirpinio yra 100 g tirpalo. Matuojama procentais (%). ω = (tirpinio masė / tirpalo masė) * 100%.
  • Pavyzdys: Jei 20 g druskos ištirpinama 180 g vandens, gaunamas 200 g tirpalas. Tirpalo koncentracija, išreikšta masės dalimi, bus: ω = (20 g / 200 g) * 100% = 10%.
• Molinė koncentracija (M arba C): Parodo, kiek molių tirpinio yra 1 litre tirpalo. Matuojama mol/L. M = (tirpinio molių skaičius / tirpalo tūris (L)).
  • Pavyzdys: Jei 0,5 mol NaOH ištirpinama vandenyje ir gaunamas 2 L tirpalo, jo molinė koncentracija bus: M = 0,5 mol / 2 L = 0,25 mol/L.
• Tirpumo koeficientas: Parodo, kiek gramų medžiagos gali ištirpti 100 g tirpiklio tam tikroje temperatūroje, susidarant sočiajam tirpalui.

Tirpalų skiedimas: Dažnai laboratorijoje tenka skiesti koncentruotus tirpalus, t.y., mažinti jų koncentraciją. Skiedžiant tirpalą, tirpinio kiekis (moliai ar masė) lieka toks pat, bet padidėja tirpiklio (ir tirpalo) tūris.

Skiedžiant tirpalus, naudojamasi šia formule: C₁V₁ = C₂V₂, kur C₁ - pradinė tirpalo koncentracija, V₁ - pradinis tirpalo tūris, C₂ - galutinė tirpalo koncentracija, V₂ - galutinis tirpalo tūris.

Pavyzdys: Kiek mililitrų 12 mol/L druskos rūgšties tirpalo reikia paimti, norint paruošti 500 mL 3 mol/L druskos rūgšties tirpalo?

Sprendimas: Naudojame formulę C₁V₁ = C₂V₂:

12 mol/L * V₁ = 3 mol/L * 500 mL

V₁ = (3 mol/L * 500 mL) / 12 mol/L = 125 mL

Atsakymas: Norint paruošti 500 mL 3 mol/L druskos rūgšties tirpalo, reikia paimti 125 mL 12 mol/L druskos rūgšties tirpalo.

Uždavinių sprendimo pavyzdžiai:

1 pavyzdys: Apskaičiuokite natrio chlorido masės dalį tirpale, gautame ištirpinus 25 g natrio chlorido 200 g vandens.

Sprendimas:

Tirpalo masė = tirpinio masė + tirpiklio masė = 25 g + 200 g = 225 g

ω(NaCl) = (m(NaCl) / m(tirpalo)) * 100% = (25 g / 225 g) * 100% ≈ 11,1%

Atsakymas: Natrio chlorido masės dalis tirpale yra 11,1%.

2 pavyzdys: Kiek gramų kalio hidroksido (KOH) reikia norint pagaminti 500 mL 0,2 mol/L tirpalo?

Sprendimas:

1. Apskaičiuojame KOH molių skaičių: n(KOH) = M(KOH) * V(tirpalo) = 0,2 mol/L * 0,5 L = 0,1 mol
2. Apskaičiuojame KOH masę: m(KOH) = n(KOH) * M(KOH) = 0,1 mol * 56 g/mol = 5,6 g

Atsakymas: Norint pagaminti 500 mL 0,2 mol/L kalio hidroksido tirpalo, reikia 5,6 g KOH.

3 pavyzdys: Turime 200 mL 96% (pagal masę) sieros rūgšties tirpalo, kurio tankis 1,84 g/mL. Kiek mililitrų vandens reikia pridėti, norint gauti 10% (pagal masę) sieros rūgšties tirpalą?

Sprendimas:

1. Apskaičiuojame pradinio tirpalo masę: m(tirpalo) = ρ(tirpalo) * V(tirpalo) = 1,84 g/mL * 200 mL = 368 g
2. Apskaičiuojame grynos H₂SO₄ masę pradiniame tirpale: m(H₂SO₄) = m(tirpalo) * ω(H₂SO₄) = 368 g * 0,96 = 353,28 g
3. Apskaičiuojame galutinio tirpalo masę, žinodami, kad jame yra 353,28 g H₂SO₄ ir jo koncentracija yra 10%: m(galutinio tirpalo) = m(H₂SO₄) / ω(H₂SO₄) = 353,28 g / 0,1 = 3532,8 g
4. Apskaičiuojame pridėto vandens masę: m(H₂O) = m(galutinio tirpalo) - m(pradinio tirpalo) = 3532,8 g - 368 g = 3164,8 g
5. Apskaičiuojame pridėto vandens tūrį, laikydami, kad vandens tankis yra 1 g/mL: V(H₂O) = m(H₂O) / ρ(H₂O) = 3164,8 g / 1 g/mL = 3164,8 mL

Atsakymas: Norint gauti 10% sieros rūgšties tirpalą, reikia pridėti 3164,8 mL vandens.

Apibendrinimas: Tirpalų koncentracija gali būti išreiškiama masės dalimi, moline koncentracija ir tirpumo koeficientu. Svarbu mokėti apskaičiuoti šias koncentracijas ir atlikti tirpalų skiedimo skaičiavimus. Šie įgūdžiai yra būtini atliekant laboratorinius darbus ir sprendžiant praktines chemijos problemas.

3. Reakcijos šiluminis efektas

Šiame poskyryje nagrinėsime energijos pokyčius, vykstančius cheminių reakcijų metu.

Cheminės reakcijos metu energija gali būti išskiriama arba sugeriama. Tai priklauso nuo to, ar stipresni ryšiai susidaro, ar susilpnėja.

• Egzoterminės reakcijos: ➡️ Reakcijos, kurių metu išsiskiria šiluma į aplinką. Produktų entalpija yra mažesnė už reagentų entalpiją (ΔH < 0). Pavyzdžiui, degimo reakcijos, neutralizacijos reakcijos. Egzoterminių reakcijų metu aplinkos temperatūra pakyla. Paprastai tariant, tai tarsi reakcijos, kurios "šildo" aplinką.
• Endoterminės reakcijos: ➡️ Reakcijos, kurių metu šiluma sugeriama iš aplinkos. Produktų entalpija yra didesnė už reagentų entalpiją (ΔH > 0). Pavyzdžiui, fotosintezė, daugelio druskų tirpimas vandenyje. Endoterminių reakcijų metu aplinkos temperatūra nukrenta. Paprastai tariant, tai tarsi reakcijos, kurios "šaldo" aplinką.

Reakcijos šiluminis efektas (ΔH) - tai šilumos kiekis, kuris išsiskiria arba sugeriamas reakcijos metu, kai slėgis yra pastovus. Šiluminis efektas dažniausiai išreiškiamas kJ/mol.

Entalpija (H) - tai sistemos šiluminis turinys, esant pastoviam slėgiui. Entalpijos pokytis (ΔH) reakcijos metu yra lygus reakcijos šiluminiam efektui.

Termocheminė lygtis - tai cheminės reakcijos lygtis, kurioje nurodomas reakcijos šiluminis efektas (ΔH). Pvz., 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(s) + 571,6 kJ, arba 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(s) ΔH = -571,6 kJ/mol. Ši lygtis rodo, kad, susidarant 2 mol vandens iš vandenilio ir deguonies, išsiskiria 571,6 kJ šilumos (egzoterminė reakcija).

Svarbu:

• Egzoterminių reakcijų metu ΔH yra neigiamas, o endoterminių - teigiamas.
• Reakcijos šiluminis efektas priklauso nuo reagentų ir produktų agregatinių būsenų.

Heso dėsnis: Reakcijos šiluminis efektas nepriklauso nuo reakcijos vyksmo kelio, o priklauso tik nuo pradinės ir galutinės sistemos būsenų. Tai reiškia, kad bendras reakcijos šiluminis efektas yra lygus atskirų reakcijos stadijų šiluminių efektų sumai. Heso dėsnis leidžia apskaičiuoti reakcijų, kurių šiluminio efekto negalima tiesiogiai išmatuoti, šiluminius efektus.

Pavyzdys:

Apskaičiuokite reakcijos C(k) + 2H₂(g) → CH₄(d) šiluminį efektą, remdamiesi šiomis termocheminėmis lygtimis:

1. C(k) + O₂(d) → CO₂(d) ΔH₁ = -393,5 kJ/mol
2. H₂(g) + ½O₂(d) → H₂O(s) ΔH₂ = -285,8 kJ/mol
3. CH₄(d) + 2O₂(d) → CO₂(d) + 2H₂O(s) ΔH₃ = -890,3 kJ/mol

Sprendimas:

Mums reikia gauti reakciją, kurios metu iš grafito ir vandenilio susidaro metanas. Tam reikia:

• Pirmąją lygtį palikti nepakeistą.
• Antrąją lygtį padauginti iš 2 (nes mums reikia 2 molių vandenilio).
• Trečiąją lygtį apversti (nes mums reikia, kad metanas būtų produktas, o ne reagentas) ir pakeisti ΔH ženklą į priešingą.

Gauname:

1. C(k) + O₂(d) → CO₂(d) ΔH₁ = -393,5 kJ/mol
2. 2H₂(g) + O₂(d) → 2H₂O(s) ΔH₂ = 2 * (-285,8 kJ/mol) = -571,6 kJ/mol
3. CO₂(d) + 2H₂O(s) → CH₄(d) + 2O₂(d) ΔH₃ = +890,3 kJ/mol

Sudėję šias lygtis (ir atitinkamai jų ΔH), gauname:

C(k) + 2H₂(g) → CH₄(d) ΔH = ΔH₁ + 2ΔH₂ - ΔH₃ = -393,5 kJ/mol - 571,6 kJ/mol + 890,3 kJ/mol = -74,8 kJ/mol

Atsakymas: Reakcijos C(k) + 2H₂(g) → CH₄(d) šiluminis efektas yra -74,8 kJ/mol (egzoterminė reakcija).

Apibendrinimas: Reakcijos metu energija gali skirtis (egzoterminės reakcijos) arba būti sugeriama (endoterminės reakcijos). Reakcijos šiluminis efektas (ΔH) parodo, kiek šilumos išsiskiria arba sugeriama reakcijos metu. Heso dėsnis leidžia apskaičiuoti reakcijų šiluminius efektus, remiantis kitų reakcijų šiluminiais efektais. Šios žinios yra svarbios suprantant cheminių reakcijų energetiką ir numatant jų vyksmo sąlygas.

4. Reakcijos greitis ir pusiausvyra

Šiame poskyryje gilinsimės į cheminės reakcijos greičio ir pusiausvyros sąvokas, veiksnius, kurie jas lemia, ir gebėsime spręsti su tuo susijusius uždavinius.

4.1. Reakcijos greitis

Cheminės reakcijos greitis - tai reagentų arba produktų koncentracijos pokytis per laiko vienetą. Dažniausiai reakcijos greitis išreiškiamas mol/(L·s) arba mol/(L·min).

Veiksniai, lemiantys reakcijos greitį:

• Reagentų prigimtis: 🧪 Kai kurios medžiagos yra reaktyvesnės už kitas ir todėl reaguoja greičiau.
• Temperatūra: 🔥 Kylant temperatūrai, reakcijos greitis paprastai didėja. Aukštesnėje temperatūroje dalelės juda greičiau, dažniau susiduria ir turi daugiau energijos, reikalingos reakcijai vykti.
• Koncentracija: ⬆️ Didėjant reagentų koncentracijai, reakcijos greitis taip pat didėja, nes dalelės dažniau susiduria.
• Slėgis: 📈 Padidinus slėgį (dujinėms medžiagoms), reakcijos greitis padidėja, nes dujų molekulės yra arčiau viena kitos ir dažniau susiduria.
• Katalizatoriai: ➡️ Katalizatoriai pagreitina reakciją, sudarydami palankesnį reakcijos vyksmo kelią su mažesne aktyvacijos energija.
• Paviršiaus plotas: 🧱 Kietųjų medžiagų reakcijose svarbus paviršiaus plotas. Kuo didesnis paviršiaus plotas (smulkiau susmulkinta medžiaga), tuo greičiau vyksta reakcija.

Aktyvacijos energija (Ea) - tai minimalus energijos kiekis, kurį turi turėti reaguojančios dalelės, kad įvyktų reakcija.

Reakcijos greičio lygtis:

Reakcijos greitis dažnai gali būti išreikštas lygtimi, kuri sieja reakcijos greitį su reagentų koncentracijomis:

v = k[A]^m[B]ⁿ

kur:

• v - reakcijos greitis
• k - greičio konstanta (priklauso nuo temperatūros ir reagentų prigimties)
• [A], [B] - reagentų molinės koncentracijos
• m, n - stechiometriniai koeficientai, rodantys koncentracijos įtaką greičiui (nustatomi eksperimentiškai)

Pavyzdys:

Azoto monoksido (NO) reakcijos su chloru (Cl₂) greičio tyrimai davė šiuos rezultatus:

Nustatykite reakcijos greičio lygtį ir greičio konstantą.

Sprendimas:

Palyginę 1 ir 2 bandymus matome, kad padvigubinus [Cl₂], reakcijos greitis padvigubėja. Vadinasi, reakcijos greitis yra tiesiogiai proporcingas [Cl₂].

Palyginę 1 ir 3 bandymus matome, kad padvigubinus [NO], reakcijos greitis padidėja keturis kartus. Vadinasi, reakcijos greitis yra tiesiogiai proporcingas [NO]².

Reakcijos greičio lygtis: v = k[NO]²[Cl₂]

Greičio konstantą apskaičiuojame įstatę bet kurio bandymo duomenis į greičio lygtį, pvz., 1 bandymo:

0,003 mol/(L·s) = k * (0,10 mol/L)² * (0,10 mol/L)

k = 0,003 mol/(L·s) / (0,01 mol²/L² * 0,10 mol/L) = 3 L²/mol²·s

Atsakymas: Reakcijos greičio lygtis: v = k[NO]²[Cl₂]; greičio konstanta k = 3 L²/mol²·s.

4.2. Cheminė pusiausvyra

Grįžtamoji reakcija - tai reakcija, kuri gali vykti abiem kryptimis: tiesiogine ir atvirkštine.

Cheminė pusiausvyra - tai dinaminė būsena, kai tiesioginės ir atvirkštinės reakcijų greičiai susilygina, ir reagentų bei produktų koncentracijos nebekinta laikui bėgant.

Pusiausvyros konstanta (K):

aA + bB ⇌ cC + dD

K = ([C]^c * [D]^d) / ([A]^a * [B]^b)

kur:

• [A], [B], [C], [D] - reagentų ir produktų pusiausvyros koncentracijos
• a, b, c, d - stechiometriniai koeficientai

Pusiausvyros konstantos reikšmė:

• K > 1: Pusiausvyra pasislinkusi į produktų susidarymo pusę.
• K < 1: Pusiausvyra pasislinkusi į reagentų pusę.
• K = 1: Reagentų ir produktų koncentracijos pusiausvyros metu yra apylygės.

Le Šateljė principas: Jei pusiausvyroje esanti sistema yra veikiama išorinių veiksnių (temperatūros, slėgio, koncentracijos), tai pusiausvyra pasislenka tokia kryptimi, kuri mažina išorinio poveikio įtaką.

• Temperatūros poveikis:
  • Egzoterminei reakcijai: didinant temperatūrą, pusiausvyra slenkasi į kairę (reagentų susidarymo kryptimi); mažinant temperatūrą - į dešinę (produktų susidarymo kryptimi).
  • Endoterminei reakcijai: didinant temperatūrą, pusiausvyra slenkasi į dešinę; mažinant temperatūrą - į kairę.
• Slėgio poveikis: (aktualu dujinėms reakcijoms, kai keičiasi dujinių medžiagų molių skaičius)
  • Didinant slėgį, pusiausvyra slenkasi į tą pusę, kurioje yra mažesnis dujinių medžiagų molių skaičius.
  • Mažinant slėgį, pusiausvyra slenkasi į tą pusę, kurioje yra didesnis dujinių medžiagų molių skaičius.
• Koncentracijos poveikis:
  • Didinant reagentų koncentraciją, pusiausvyra slenkasi į produktų susidarymo pusę.
  • Didinant produktų koncentraciją, pusiausvyra slenkasi į reagentų susidarymo pusę.
  • Mažinant reagentų koncentraciją, pusiausvyra slenkasi į reagentų susidarymo pusę.
  • Mažinant produktų koncentraciją, pusiausvyra slenkasi į produktų susidarymo pusę.
• Katalizatorius: Katalizatorius neturi įtakos pusiausvyros padėčiai, jis tik pagreitina pusiausvyros nusistovėjimą.

Pavyzdys:

Azoto ir vandenilio sąveikos reakcija (amoniako sintezė) yra grįžtamoji ir egzoterminė:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) ΔH = -92 kJ/mol

Kaip pakis šios reakcijos pusiausvyra:

a) padidinus temperatūrą; b) padidinus slėgį; c) padidinus azoto koncentraciją; d) naudojant katalizatorių?

Sprendimas:

a) Kadangi reakcija yra egzoterminė, padidinus temperatūrą, pusiausvyra pasislinks į kairę (reagentų susidarymo kryptimi) pagal Le Šateljė principą. b) Padidinus slėgį, pusiausvyra pasislinks į dešinę (produktų susidarymo kryptimi), nes produktų pusėje yra mažesnis dujinių medžiagų molių skaičius (2 mol NH₃, palyginti su 4 mol N₂ ir H₂). c) Padidinus azoto koncentraciją, pusiausvyra pasislinks į dešinę (produktų susidarymo kryptimi), pagal Le Šateljė principą. d) Katalizatorius neturės įtakos pusiausvyros padėčiai, tik pagreitins jos nusistovėjimą.

Apibendrinimas: Reakcijos greitis priklauso nuo reagentų prigimties, temperatūros, koncentracijos, slėgio, katalizatorių ir paviršiaus ploto. Grįžtamųjų reakcijų atveju nusistovi cheminė pusiausvyra, kuriai apibūdinti naudojama pusiausvyros konstanta. Le Šateljė principas leidžia numatyti, kaip išoriniai veiksniai (temperatūra, slėgis, koncentracija) veikia cheminę pusiausvyrą. Šios žinios yra labai svarbios valdant cheminius procesus pramonėje ir laboratorijoje.

VII. Medžiagos sandara ir sudėtis

Šiame skyriuje trumpai apžvelgsime atomo sandarą, periodinę elementų lentelę, cheminį ryšį ir kristalines gardeles. Šios temos yra fundamentalios chemijos pagrindams ir buvo išsamiau nagrinėjamos ankstesnėse klasėse, todėl čia jas prisiminsime glaustai, akcentuodami svarbiausius aspektus.

1. Atomo sandara. Periodinė elementų lentelė

Atomas - tai mažiausia cheminio elemento dalelė, turinti to elemento chemines savybes. Atomas yra sudarytas iš teigiamai įkrauto branduolio ir aplink jį skriejančių neigiamai įkrautų elektronų.

Branduolys sudarytas iš protonų (teigiamos dalelės) ir neutronų (neutralios dalelės). Protonų skaičius branduolyje lemia elemento atominį skaičių (Z) ir vietą periodinėje lentelėje. Neutronų skaičius gali skirtis, sudarydami izotopus - to paties elemento atomus, turinčius skirtingą neutronų skaičių, taigi ir skirtingą masės skaičių (A).

Elektronai išsidėsto aplink branduolį tam tikrais energetiniais lygmenimis (sluoksniais), kurie žymimi skaičiais 1, 2, 3 ir t.t. (arba raidėmis K, L, M ir t.t.). Kiekviename lygmenyje yra tam tikras orbitalių skaičius. Orbitalė - tai erdvės sritis, kurioje tikimybė rasti elektroną yra didžiausia. Yra keturių tipų orbitalės: s, p, d ir f, kurios skiriasi savo forma ir energija.

Elektronų konfiguracija - tai elektronų išsidėstymas atomo energetiniuose lygmenyse ir orbitalėse. Ji rašoma nurodant energetinio lygmens skaičių, orbitalės raidę ir elektronų skaičių toje orbitalėje (pvz., 1s², 2s², 2p⁶ ir t.t.).

Valentinių elektronų skaičius - tai elektronų skaičius išoriniame atomo sluoksnyje. Valentiniai elektronai lemia elemento chemines savybes, nes jie dalyvauja cheminio ryšio sudaryme.

Periodinė elementų lentelė - tai lentelė, kurioje cheminiai elementai yra išdėstyti pagal atominį skaičių (Z), elektronų konfigūraciją ir pasikartojančias chemines savybes. Lentelės periodai (horizontalios eilutės) rodo elementų elektronų sluoksnių skaičių. Grupės (vertikalūs stulpeliai) rodo elementų, turinčių tą patį valentinių elektronų skaičių, o kartu ir panašias chemines savybes, grupę.

Pagrindinės periodinės lentelės tendencijos:

• Atomo spindulys didėja einant grupe žemyn (daugėja elektronų sluoksnių) ir mažėja einant periodu iš kairės į dešinę (didėja branduolio krūvis, stipriau traukiantis elektronus).
• Jonizacijos energija (energija, kurios reikia norint atplėšti elektroną nuo atomo) didėja einant periodu iš kairės į dešinę ir mažėja einant grupe žemyn.
• Elektroneigiamumas (atomo gebėjimas prisitraukti elektronus cheminio ryšio sudarymo metu) didėja einant periodu iš kairės į dešinę ir mažėja einant grupe žemyn.
• Metalinės savybės stiprėja einant grupe žemyn ir iš dešinės į kairę, o nemetalinės savybės - einant grupe aukštyn ir iš kairės į dešinę.

Apibendrinimas: Atomo sandara (branduolio krūvis ir elektronų išsidėstymas) lemia elemento chemines savybes ir jo vietą periodinėje lentelėje. Periodinė lentelė yra nepakeičiamas įrankis, leidžiantis sisteminti cheminių elementų savybes ir prognozuoti jų elgesį cheminėse reakcijose.

2. Cheminis ryšys

Cheminis ryšys - tai sąveika tarp atomų, dėl kurios susidaro molekulės arba kristalai. Cheminio ryšio susidarymo metu atomai persitvarko elektronus, siekdami įgyti stabilesnę elektronų konfigūraciją (paprastai - užpildytą išorinį elektronų sluoksnį).

Pagrindiniai cheminių ryšių tipai:

• Joninis ryšys: 🤝 Susidaro tarp atomų, kurių vienas lengvai atiduoda elektronus (metalai), o kitas lengvai juos prisijungia (nemetalai). Šis ryšys yra paremtas elektrostatine trauka tarp priešingai įkrautų jonų (katijonų ir anijonų). Joninis ryšys dažniausiai susidaro tarp metalų ir nemetalų. Pvz., NaCl, KBr, MgO.
  • Jonai susidaro, kai atomai netenka arba prisijungia elektronus. Teigiamai įkrauti jonai vadinami katijonais (pvz., Na⁺, Ca²⁺), o neigiamai įkrauti - anijonais (pvz., Cl⁻, O²⁻).
  • Junginiai, sudaryti iš jonų, vadinami joniniais junginiais. Jie dažniausiai yra kietos, kristalinės medžiagos, turinčios aukštas lydymosi ir virimo temperatūras.
• Kovalentinis ryšys: ↔️ Susidaro tarp atomų, kurie dalijasi viena ar keliomis elektronų poromis. Šis ryšys būdingas nemetalams. Kovalentinis ryšys gali būti vienagubasis (viena bendra elektronų pora, pvz., H-H), dvigubasis (dvi bendros elektronų poros, pvz., O=O) arba trigubasis (trys bendros elektronų poros, pvz., N≡N).
  • Polinis kovalentinis ryšys: Susidaro tarp skirtingų nemetalų atomų, kai bendra elektronų pora yra pasislinkusi arčiau elektroneigiamesnio atomo. Dėl to susidaro dipolis - molekulės dalis su daliniu teigiamu krūviu (δ+) ir daliniu neigiamu krūviu (δ-). Pvz., H-Cl, H₂O.
  • Nepolinis kovalentinis ryšys: Susidaro tarp vienodų nemetalų atomų arba tarp atomų, kurių elektroneigiamumai yra labai panašūs. Bendra elektronų pora yra simetriškai pasiskirsčiusi tarp abiejų atomų. Pvz., H₂, Cl₂, CH₄.
• Metalinis ryšys: 🔩 Būdingas metalams. Metalų atomai išsidėsto tvarkingai kristalinėje gardelėje, o valentini elektronai laisvai juda tarp teigiamai įkrautų metalo jonų, sudarydami "elektronų jūrą" arba "elektronų debesį". Šis laisvas elektronų judėjimas lemia metalų gerą elektros ir šilumos laidumą, blizgesį, kalumą.
• Vandenilinis ryšys: ➡️ Tai tarpmolekulinis ryšys, kuris susidaro tarp molekulių, turinčių vandenilio atomą, prijungtą prie stipriai elektroneigiamo atomo (pvz., O, N, F). Vandenilio atomas, turintis dalinį teigiamą krūvį (δ+), yra traukiamas kitoje molekulėje esančio stipriai elektroneigiamo atomo, turinčio dalinį neigiamą krūvį (δ-). Vandenilinis ryšys yra daug silpnesnis už jonini, kovalentinį ar metalini rysi, bet jis yra stipresnis už kitas tarpmolekulines sąveikas. Vandeniliniai ryšiai lemia aukštas vandens, amoniako, vandenilio fluorido virimo temperatūras, taip pat svarbūs susidarant biomolekulių (baltymų, nukleorūgščių) antrinei ir tretinei struktūroms.

Apibendrinimas: Cheminiai ryšiai laiko atomus kartu molekulėse ir kristaluose. Pagrindiniai ryšių tipai yra joninis, kovalentinis (polinis ir nepolinis), metalinis ir vandenilinis. Ryšio tipas priklauso nuo atomų prigimties ir jų elektroneigiamumo skirtumo.

3. Kristalinės gardelės

Kristalinė gardelė - tai taisyklingas dalelių (atomų, molekulių ar jonų) išsidėstymas erdvėje, būdingas kietosioms kristalinėms medžiagoms. Kristalinės gardelės tipas priklauso nuo dalelių prigimties ir jas siejančių ryšių tipo.

Pagrindiniai kristalinių gardelių tipai:

• Joninė gardelė: 💎 Sudaryta iš teigiamai ir neigiamai įkrautų jonų, kuriuos kartu laiko elektrostatines traukos jėgos (joninis ryšys). Pvz., NaCl, MgO, CaF₂.
  • Savybės: Aukštos lydymosi ir virimo temperatūros, kietos, trapios, tirpsta poliniuose tirpikliuose (pvz., vandenyje), sudaro elektrai laidžius tirpalus ir lydalus.
• Atominė (kovalentinė) gardelė: 🪨 Sudaryta iš atomų, sujungtų tvirtais kovalentiniais ryšiais. Pvz., deimantas (C), grafitas (C), silicis (Si), silicio dioksidas (SiO₂).
  • Savybės: Labai aukštos lydymosi ir virimo temperatūros, labai kietos (išskyrus grafitą), netirpios, nelaidžios elektrai (išskyrus grafitą).
• Molekulinė gardelė: 🧊 Sudaryta iš molekulių, kurias kartu laiko silpnos tarpmolekulinės sąveikos jėgos (Van der Valso jėgos, dipolis-dipolis sąveika, vandeniliniai ryšiai). Pvz., ledas (H₂O), sausas ledas (CO₂), jodas (I₂), cukrus (C₁₂H₂₂O₁₁).
  • Savybės: Žemos lydymosi ir virimo temperatūros, minkštos, trapios, dažnai tirpsta organiniuose tirpikliuose, nelaidžios elektrai.
• Metalinė gardelė: 🔩 Sudaryta iš teigiamai įkrautų metalo jonų, apsuptų laisvai judančių valentinių elektronų "jūros". Pvz., Na, Cu, Fe, Au.
  • Savybės: Geri elektros ir šilumos laidininkai, blizgantys, kalūs, plastiški, lydymosi ir virimo temperatūros labai įvairios (nuo labai žemų, pvz., gyvsidabrio, iki labai aukštų, pvz., volframo).

Apibendrinimas: Kristalinės gardelės tipas lemia kietųjų medžiagų savybes. Joninės gardelės pasižymi aukštomis lydymosi temperatūromis ir kietumu, atominės - dar aukštesnėmis lydymosi temperatūromis ir kietumu, molekulinės - žemomis lydymosi temperatūromis ir minkštumu, o metalinės - geru elektros ir šilumos laidumu bei kalumu.

VIII. Neorganinių junginių klasės, cheminės savybės, gavimas ir atpažinimas

Šiame skyriuje apžvelgsime pagrindines neorganinių junginių klases, jų chemines savybes, gavimo būdus ir kokybines atpažinimo reakcijas. Ši medžiaga apima tiek III, tiek IV gimnazijos klasės programų turinį.

1. Oksidai

Oksidai - tai junginiai, sudaryti iš dviejų elementų, kurių vienas yra deguonis, turintis oksidacijos laipsnį -2.

Klasifikacija:

• Rūgštiniai oksidai: ➡️ Nemetalų oksidai (pvz., SO₂, SO₃, CO₂, N₂O₅, P₂O₅) ir kai kurių metalų (pvz., Cr, Mn) aukštesniųjų oksidacijos laipsnių oksidai (pvz., CrO₃, Mn₂O₇). Rūgštiniai oksidai reaguoja su vandeniu, sudarydami rūgštis, o su bazėmis - druskas ir vandenį.
  • Pavyzdžiai:
    • SO₂ + H₂O → H₂SO₃ (sulfitinė rūgštis)
    • SO₃ + H₂O → H₂SO₄ (sulfato rūgštis)
    • CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ (anglies rūgštis)
    • SO₃ + 2NaOH → Na₂SO₄ + H₂O
    • CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O
• Baziniai oksidai: ➡️ Metalų oksidai (pvz., Na₂O, CaO, MgO, FeO). Baziniai oksidai reaguoja su vandeniu, sudarydami hidroksidus (išskyrus sunkiai tirpius oksidus), o su rūgštimis - druskas ir vandenį.
  • Pavyzdžiai:
    • Na₂O + H₂O → 2NaOH
    • CaO + H₂O → Ca(OH)₂
    • MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O
• Amfoteriniai oksidai: ➡️ Kai kurių metalų (pvz., Al, Zn, Be, Pb, Sn) oksidai, kurie reaguoja ir su rūgštimis, ir su bazėmis, sudarydami druskas.
  • Pavyzdžiai:
    • Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O
    • Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O → 2Na[Al(OH)₄] (natrio tetrahidroksoaliuminatas)
    • ZnO + 2HCl → ZnCl₂ + H₂O
    • ZnO + 2NaOH + H₂O → Na₂[Zn(OH)₄] (natrio tetrahidroksozinkatas)
• Indiferentiniai (nedarantys druskų) oksidai: ➡️ Nemetalų oksidai, kurie nereaguoja nei su rūgštimis, nei su bazėmis, nei su vandeniu. Pvz., CO, NO, N₂O.

Gavimas:

• Tiesioginė sintezė: Paprastųjų medžiagų degimas ore arba deguonyje.
  • Pavyzdžiai:
    • S + O₂ → SO₂
    • 4P + 5O₂ → P₄O₁₀ (arba 2P₂O₅)
    • 2Mg + O₂ → 2MgO
• Oksidų sąveika su deguonimi: Žemesniųjų oksidacijos laipsnių oksidai gali reaguoti su deguonimi, sudarydami aukštesniųjų oksidacijos laipsnių oksidus.
  • Pavyzdys: 2SO₂ + O₂ → 2SO₃ (katalizatorius V₂O₅)
• Druskų terminis skilimas: Kaitinant karbonatus, nitratus, sulfatus.
  • Pavyzdžiai:
    • CaCO₃ → CaO + CO₂
    • Cu(NO₃)₂ → CuO + 2NO₂ + ½O₂
• Hidroksidų terminis skilimas: Kaitinant netirpius hidroksidus.
  • Pavyzdys: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O

Apibendrinimas: Oksidai - tai junginiai su deguonimi. Jie skirstomi į rūgštinius, bazinius, amfoterinius ir indiferentinius. Oksidų savybės priklauso nuo elemento, sudarančio oksidą, prigimties ir jo oksidacijos laipsnio. Oksidus galima gauti deginant paprastąsias medžiagas, skaidant druskas arba hidroksidus.

2. Rūgštys

Rūgštys - tai junginiai, kurie vandeniniuose tirpaluose atskelia vandenilio katijonus (H⁺).

Klasifikacija:

• Pagal stiprumą:
  • Stipriosios rūgštys: Beveik visiškai disocijuoja į jonus vandeniniuose tirpaluose. Pvz., HCl, HBr, HI, HNO₃, H₂SO₄, HClO₄.
  • Silpnosios rūgštys: Tik iš dalies disocijuoja į jonus vandeniniuose tirpaluose. Pvz., H₂CO₃, H₂S, H₂SO₃, CH₃COOH, HCOOH.
• Pagal deguonies kiekį molekulėje:
  • Deguoninės rūgštys: Turi deguonies atomų. Pvz., H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄.
  • Bedeguonės rūgštys: Neturi deguonies atomų. Pvz., HCl, HBr, HI, H₂S.
• Pagal bazingumą (vandenilio katijonų, kuriuos gali atskelti viena rūgšties molekulė, skaičių):
  • Vienbazės rūgštys: Pvz., HCl, HNO₃, CH₃COOH.
  • Dvibasės rūgštys: Pvz., H₂SO₄, H₂CO₃, H₂S.
  • Tribazės rūgštys: Pvz., H₃PO₄.

Savybės:

• Rūgštus skonis (atsargiai, negalima ragauti nepažįstamų rūgščių!).
• Keičia indikatorių spalvą: Lakmusas paraudonuoja, metiloranžas - paraudonuoja, fenolftaleinas - bespalvis.
• Reaguoja su baziniais ir amfoteriniais oksidais, sudarydamos druskas ir vandenį:
  • Pavyzdžiai:
    • 2HCl + CaO → CaCl₂ + H₂O
    • H₂SO₄ + ZnO → ZnSO₄ + H₂O
• Reaguoja su hidroksidais (neutralizacijos reakcija), sudarydamos druskas ir vandenį:
  • Pavyzdžiai:
    • HCl + NaOH → NaCl + H₂O
    • H₂SO₄ + 2KOH → K₂SO₄ + 2H₂O
• Reaguoja su metalais, kurie metalų įtampų eilėje yra iki vandenilio, išskirdamos vandenilio dujas ir sudarydamos druskas:
  • Pavyzdžiai:
    • Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂
    • Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂
  • Pastaba: Azoto rūgštis ir koncentruota sieros rūgštis reaguoja su metalais sudėtingiau, susidaro ne vandenilis, o kiti produktai.
• Reaguoja su druskomis, sudarytomis iš silpnesnių arba lakių rūgščių anijonų:
  • Pavyzdžiai:
    • 2HCl + CaCO₃ → CaCl₂ + H₂O + CO₂
    • H₂SO₄ + 2NaCl → Na₂SO₄ + 2HCl (kaitinant)

Gavimas:

• Rūgštinių oksidų reakcija su vandeniu:
  • Pavyzdžiai:
    • SO₃ + H₂O → H₂SO₄
    • P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄
• Bedeguonių rūgščių gavimas: Vandenilio junginių su nemetalais tirpinimas vandenyje.
  • Pavyzdys: HCl (dujos) + H₂O → HCl (aq) (druskos rūgštis)
• Vandenilio išstūmimas iš druskų stipresnėmis rūgštimis:
  • Pavyzdys: H₂SO₄ + 2NaCl → Na₂SO₄ + 2HCl (kaitinant)

Apibendrinimas: Rūgštys - tai junginiai, kurie vandeniniuose tirpaluose atskelia vandenilio katijonus. Jos būna stiprios ir silpnos, deguoninės ir bedeguonės, vienbazės, dvibazės ir tribazės. Rūgštys reaguoja su baziniais ir amfoteriniais oksidais, hidroksidais, metalais ir kai kuriomis druskomis.

3. Bazės (Hidroksidai)

Bazės - tai junginiai, kurie vandeniniuose tirpaluose atskelia hidroksido anijonus (OH⁻). Tirpūs vandenyje hidroksidai vadinami šarmais.

Klasifikacija:

• Pagal tirpumą vandenyje:
  • Tirpūs (šarmai): ➡️ Pvz., NaOH, KOH, Ba(OH)₂, Ca(OH)₂ (sąlyginai).
  • Netirpūs: ➡️ Pvz., Cu(OH)₂, Fe(OH)₃, Mg(OH)₂.
• Pagal stiprumą:
  • Stipriosios bazės: Beveik visiškai disocijuoja į jonus vandeniniuose tirpaluose. Tai šarminių ir šarminių žemių metalų (išskyrus Mg) hidroksidai. Pvz., NaOH, KOH, Ba(OH)₂.
  • Silpnosios bazės: Tik iš dalies disocijuoja į jonus vandeniniuose tirpaluose. Pvz., NH₄OH (amoniako vandeninis tirpalas), netirpūs hidroksidai.
• Pagal rūgštingumą (hidroksigrupių skaičių molekulėje):
  • Vienrūgštės bazės: Turi vieną hidroksigrupę. Pvz., NaOH, KOH.
  • Dvirūgštės bazės: Turi dvi hidroksigrupes. Pvz., Ca(OH)₂, Ba(OH)₂.
  • Trirūgštės bazės: Turi tris hidroksigrupes. Pvz., Al(OH)₃.

Savybės:

• Muilo pojūtis liečiant (atsargiai, stiprūs šarmai yra ėsdinantys!).
• Keičia indikatorių spalvą: Lakmusas pamėlynuoja, metiloranžas - pagelsta, fenolftaleinas - avietinė spalva.
• Reaguoja su rūgštiniais ir amfoteriniais oksidais, sudarydamos druskas ir vandenį:
  • Pavyzdžiai:
    • 2NaOH + SO₃ → Na₂SO₄ + H₂O
    • Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O
    • 2KOH + ZnO → K₂ZnO₂ + H₂O (kaitinant)
• Reaguoja su rūgštimis (neutralizacijos reakcija), sudarydamos druskas ir vandenį:
  • Pavyzdžiai:
    • NaOH + HCl → NaCl + H₂O
    • Ca(OH)₂ + H₂SO₄ → CaSO₄↓ + 2H₂O
• Reaguoja su amfoteriniais hidroksidais:
  • Pavyzdys: 2NaOH + Al(OH)₃ → Na[Al(OH)₄] (natrio tetrahidroksoaliuminatas)
• Šarmai reaguoja su druskomis, jei susidaro netirpus hidroksidas, dujos arba vanduo:
  • Pavyzdžiai:
    • 2NaOH + CuSO₄ → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄
    • 2KOH + (NH₄)₂SO₄ → K₂SO₄ + 2NH₃↑ + 2H₂O
• Netirpūs hidroksidai skyla kaitinami:
  • Pavyzdys: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O

Gavimas:

• Aktyvių metalų (šarminių, šarminių žemių) arba jų oksidų reakcija su vandeniu:
  • Pavyzdžiai:
    • 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑
    • CaO + H₂O → Ca(OH)₂
• Elektrolizė: Šarminių metalų druskų vandeninių tirpalų elektrolizė.
  • Pavyzdys: 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑ (elektrolizė)
• Netirpių hidroksidų gavimas: Šarmų reakcija su atitinkamų metalų druskomis.
  • Pavyzdys: CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄

Apibendrinimas: Bazės - tai junginiai, kurie vandeniniuose tirpaluose atskelia hidroksido anijonus. Jos būna tirpios (šarmai) ir netirpios, stiprios ir silpnos, vienrūgštės, dvirūgštės ir trirūgštės. Bazės reaguoja su rūgštiniais ir amfoteriniais oksidais, rūgštimis, amfoteriniais hidroksidais ir kai kuriomis druskomis.

4. Druskos

Druskos - tai junginiai, sudaryti iš metalo katijonų (arba amonio katijono NH₄⁺) ir rūgšties liekanos anijonų.

Klasifikacija:

• Vidutinės (normaliosios) druskos: Druskos, kurių sudėtyje nėra nei H⁺, nei OH⁻ jonų. Susidaro visiškai neutralizuojant rūgštį baze. Pvz., NaCl, K₂SO₄, CaCO₃.
• Rūgščiosios druskos: Druskos, kurių sudėtyje yra H⁺ jonai, galintys toliau disocijuoti. Susidaro nepilnai neutralizuojant daugiavandenę rūgštį baze. Pvz., NaHCO₃, KHSO₄, Ca(H₂PO₄)₂.
• Bazinės druskos: Druskos, kurių sudėtyje yra OH⁻ jonai. Susidaro nepilnai neutralizuojant daugiavalentę bazę rūgštimi. Pvz., (CuOH)₂CO₃, MgOHCl.
• Dvigubosios druskos: Druskos, kurių sudėtyje yra du skirtingi katijonai. Pvz., KAl(SO₄)₂ (kalio aliuminio sulfatas), (NH₄)₂Fe(SO₄)₂ (amonio geležies (II) sulfatas).
• Kompleksinės druskos: Druskos, kurių sudėtyje yra kompleksinis jonas. Kompleksinis jonas - tai centrinis atomas (dažniausiai metalo jonas), apsuptas ligandų (anijonų arba molekulių). Pvz., K₄[Fe(CN)₆] (kalio heksacianoferatas(II)), Na[Al(OH)₄] (natrio tetrahidroksoaliuminatas).

Savybės:

• Dažniausiai kietos kristalinės medžiagos.
• Labai įvairių spalvų.
• Tirpumas vandenyje labai įvairus.
• Vandeniniai tirpalai arba lydalai praleidžia elektros srovę (elektrolitai).

Reakcijos:

• Reaguoja su rūgštimis, jei susidaro silpnesnė arba laki rūgštis, arba mažai tirpios druskos:
  • Pavyzdžiai:
    • CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
    • BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2HCl
• Reaguoja su bazėmis (šarmais), jei susidaro netirpus hidroksidas arba dujos:
  • Pavyzdžiai:
    • CuSO₄ + 2NaOH → Cu(OH)₂↓ + Na₂SO₄
    • (NH₄)₂SO₄ + 2KOH → K₂SO₄ + 2NH₃↑ + 2H₂O (kaitinant)
• Reaguoja su druskomis (mainų reakcijos), jei susidaro mažai tirpios druskos arba dujos:
  • Pavyzdžiai:
    • AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃
    • Na₂CO₃ + CaCl₂ → CaCO₃↓ + 2NaCl
• Kai kurios druskos skyla kaitinamos:
  • Pavyzdžiai:
    • CaCO₃ → CaO + CO₂↑
    • 2KNO₃ → 2KNO₂ + O₂↑
    • (NH₄)₂Cr₂O₇ → N₂↑ + Cr₂O₃ + 4H₂O (kaitinant, "vulkano" reakcija)

Gavimas:

• Rūgšties ir bazės (hidroksido) neutralizacijos reakcija:
  • Pavyzdys: HCl + NaOH → NaCl + H₂O
• Metalo ir rūgšties reakcija:
  • Pavyzdys: Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑
• Bazinio oksido ir rūgšties reakcija:
  • Pavyzdys: MgO + 2HCl → MgCl₂ + H₂O
• Rūgštinio oksido ir bazės reakcija:
  • Pavyzdys: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O
• Metalo ir nemetalo reakcija (ne visada):
  • Pavyzdys: 2Na + Cl₂ → 2NaCl
• Dviejų druskų mainų reakcija:
  • Pavyzdys: AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃
• Metalo oksido arba hidroksido reakcija su druska (susidarant netirpiam produktui):
  • Pavyzdys: Fe₂O₃ + 3(NH₄)₂CO₃ → Fe₂(CO₃)₃↓ + 3H₂O + 6NH₃
• Metalo arba bazinio oksido reakcija su rūgštiniu oksidu:
  • Pavyzdys: CaO + CO₂ → CaCO₃

Apibendrinimas: Druskos - tai joniniai junginiai, sudaryti iš metalo (arba amonio) katijonų ir rūgšties liekanos anijonų. Jos gali būti vidutinės, rūgščiosios, bazinės, dvigubosios ir kompleksinės. Druskos reaguoja su rūgštimis, bazėmis, kitomis druskomis, kai kurios skyla kaitinamos. Druskos gaunamos neutralizacijos, metalų, bazinių oksidų reakcijose su rūgštimis, rūgštinių oksidų reakcijose su bazėmis, dviejų druskų mainų reakcijose ir kt.

5. Kokybinės reakcijos svarbiausiems neorganiniams jonams atpažinti (papildomai)

Šis poskyris nėra tiesiogiai įtrauktas į A lygio chemijos programą, tačiau žinios apie kokybines reakcijas yra naudingos atliekant laboratorinius darbus ir sprendžiant praktines užduotis.

Kokybinės reakcijos - tai cheminės reakcijos, kurios leidžia nustatyti, ar tiriamajame tirpale yra tam tikras jonas. Šios reakcijos dažniausiai pasižymi lengvai pastebimais požymiais, pvz., susidaro spalvotos nuosėdos, išsiskiria dujos, pakinta tirpalo spalva.

Lentelė su kokybinėmis reakcijomis svarbiausiems katijonams ir anijonams:

Pastaba: Ši lentelė nėra baigtinė, joje pateiktos tik dažniausiai pasitaikančios kokybinės reakcijos. Atliekant analizę, svarbu atsižvelgti į visus stebimus reiškinius ir patvirtinti rezultatus keliomis reakcijomis.

Apibendrinimas: Kokybinės reakcijos leidžia nustatyti, ar tiriamajame tirpale yra tam tikrų jonų. Šios reakcijos yra pagrįstos lengvai pastebimais reiškiniais, tokiais kaip nuosėdų susidarymas, dujų išsiskyrimas ar spalvos pakitimas. Kokybinių reakcijų žinojimas yra svarbus atliekant cheminę analizę ir identifikuojant nežinomus junginius.

IX. Apibendrinimas ir kartojimas

Šiame baigiamajame skyriuje apibendrinsime svarbiausias A lygio chemijos kurso temas, pakartosime esmines sąvokas, formules ir reakcijų lygtis, bei pateiksime keletą kompleksinių uždavinių, padėsiančių pasiruošti egzaminui.

1. Svarbiausių sąvokų ir reakcijų kartojimas

1.1. Medžiagos sandara:

• Atomas: Mažiausia cheminio elemento dalelė, turinti to elemento chemines savybes. Sudarytas iš branduolio (protonai ir neutronai) ir elektronų.
• Izotopai: To paties elemento atomai, turintys skirtingą neutronų skaičių.
• Elektronų konfiguracija: Elektronų išsidėstymas atomo energetiniuose lygmenyse ir orbitalėse.
• Periodinė elementų lentelė: Cheminių elementų išdėstymas pagal atominį skaičių, elektronų konfigūraciją ir chemines savybes.
• Cheminis ryšys: Sąveika tarp atomų, jungianti juos į molekules ar kristalus (joninis, kovalentinis, metalinis, vandenilinis).
• Kristalinės gardelės: Taisyklingas dalelių išsidėstymas kietosiose medžiagose (joninė, atominė, molekulinė, metalinė).

1.2. Cheminiai skaičiavimai:

• Atominė masė (Ar), molekulinė masė (Mr), molinė masė (M).
• Molis (mol), Avogadro skaičius (Nₐ).
• Masės tvermės dėsnis.
• Stechiometriniai skaičiavimai pagal cheminės reakcijos lygtį.
• Tirpalų koncentracija: masės dalis (ω), molinė koncentracija (M).
• Tirpalų skiedimas.

1.3. Cheminės reakcijos:

• Reakcijos greitis: Koncentracijos pokytis per laiko vienetą. Veiksniai, lemiantys reakcijos greitį.
• Aktyvacijos energija.
• Katalizatoriai.
• Grįžtamosios reakcijos ir cheminė pusiausvyra.
• Pusiausvyros konstanta (K).
• Le Šateljė principas.
• Reakcijos šiluminis efektas (ΔH): Egzoterminės ir endoterminės reakcijos.
• Heso dėsnis.

1.4. Neorganinė chemija:

• Oksidai: Klasifikacija (rūgštiniai, baziniai, amfoteriniai, indiferentiniai), savybės, gavimas.
• Rūgštys: Klasifikacija (stipriosios, silpnosios, deguoninės, bedeguonės, vienbazės, dvibazės, tribazės), savybės, gavimas.
• Bazės: Klasifikacija (tirpios (šarmai), netirpios, stipriosios, silpnosios, vienrūgštės, dvirūgštės, trirūgštės), savybės, gavimas.
• Druskos: Klasifikacija (vidutinės, rūgščiosios, bazinės, dvigubosios, kompleksinės), savybės, gavimas.
• Kokybinės reakcijos jonams atpažinti.

1.5. Organinė chemija:

• Angliavandeniliai: Alkanai, alkenai, alkinai, cikloalkanai, arenai (savybės, reakcijos).
• Funkcinės grupės: Alkoholiai, aldehidai, ketonai, karboksirūgštys, esteriai, aminai, amidai, nitrilai, halogenalkanai (savybės, reakcijos, gavimas, atpažinimas).
• Izomerija: Struktūrinė (grandininė, padėties, funkcinių grupių) ir erdvinė (geometrinė, optinė).
• Pagrindiniai organinių reakcijų tipai: Pakeitimo (nukleofilinis, elektrofilinis), prijungimo, eliminavimo, oksidacijos-redukcijos.
• Biomolekulės: Baltymai, angliavandeniai, lipidai, nukleorūgštys (sudėtis, funkcijos).

1.6. Svarbiausios cheminės reakcijos:

• Neutralizacijos reakcija: Rūgštis + bazė → druska + vanduo.
• Druskų hidrolizė.
• Alkanų halogeninimas.
• Alkenų ir alkinų prijungimo reakcijos: Hidrinimas, halogeninimas, hidrohalogeninimas, hidratacija.
• Arenų elektrofilinio pakeitimo reakcijos: Halogeninimas, nitrinimas, sulfonimas, alkilinimas, acilinimas.
• Alkoholių dehidratacija, oksidacija, reakcija su vandenilio halogenidais, esterifikacija.
• Aldehidų oksidacija, redukcija.
• Ketonų redukcija.
• Karboksirūgščių reakcijos su bazėmis, metalais, alkoholiais (esterifikacija).
• Amidų ir nitrilų hidrolizė.
• Nitrilų redukcija.
• Halogenalkanų nukleofilinio pakeitimo ir eliminavimo reakcijos.

2. Kompleksinių uždavinių sprendimas

Šiame poskyryje pateiksime keletą kompleksinių uždavinių, apimančių įvairias A lygio chemijos kurso temas. Sprendžiant šiuos uždavinius, reikės ne tik žinoti teoriją, bet ir gebėti taikyti įvairius skaičiavimo metodus, analizuoti sąlygas ir daryti logiškas išvadas.

1 pavyzdys:

Turime 10 g mišinio, sudaryto iš kalio chlorido (KCl) ir kalio karbonato (K₂CO₃). Šis mišinys ištirpinamas vandenyje, ir į tirpalą pridedama bario chlorido (BaCl₂) tirpalo perteklius. Susidaro 11,82 g baltų nuosėdų. Apskaičiuokite druskų masės dalis pradiniame mišinyje.

Sprendimas:

1. Užrašome reakcijų lygtis:
   • KCl su BaCl₂ nereaguoja.
   • K₂CO₃ + BaCl₂ → BaCO₃↓ + 2KCl
2. Apskaičiuojame BaCO₃ molių skaičių: n(BaCO₃) = m(BaCO₃) / M(BaCO₃) = 11,82 g / 197 g/mol ≈ 0,06 mol
3. Pagal reakcijos lygtį, iš 1 mol K₂CO₃ susidaro 1 mol BaCO₃. Vadinasi, mišinyje buvo 0,06 mol K₂CO₃.
4. Apskaičiuojame K₂CO₃ masę: m(K₂CO₃) = n(K₂CO₃) * M(K₂CO₃) = 0,06 mol * 138 g/mol = 8,28 g
5. Apskaičiuojame KCl masę mišinyje: m(KCl) = m(mišinio) - m(K₂CO₃) = 10 g - 8,28 g = 1,72 g
6. Apskaičiuojame druskų masės dalis pradiniame mišinyje:
   • ω(K₂CO₃) = (m(K₂CO₃) / m(mišinio)) * 100% = (8,28 g / 10 g) * 100% = 82,8%
   • ω(KCl) = (m(KCl) / m(mišinio)) * 100% = (1,72 g / 10 g) * 100% = 17,2%

Atsakymas: Pradiniame mišinyje buvo 82,8% K₂CO₃ ir 17,2% KCl.

2 pavyzdys:

200 mL 0,5 mol/L azoto rūgšties tirpalas sumaišomas su 300 mL 0,2 mol/L kalio hidroksido tirpalu. Apskaičiuokite susidariusio tirpalo pH.

Sprendimas:

1. Užrašome reakcijos lygtį: HNO₃ + KOH → KNO₃ + H₂O
2. Apskaičiuojame HNO₃ ir KOH molių skaičių:
   • n(HNO₃) = C(HNO₃) * V(HNO₃) = 0,5 mol/L * 0,2 L = 0,1 mol
   • n(KOH) = C(KOH) * V(KOH) = 0,2 mol/L * 0,3 L = 0,06 mol
3. Nustatome, kad KOH yra perteklius, nes jo molių skaičius didesnis už HNO₃ molių skaičių. Reakcijoje visas HNO₃ kiekis (0,1 mol) sureaguoja su 0,1 mol KOH.
4. Apskaičiuojame likusį KOH molių skaičių po reakcijos: n(KOH) = 0,06 mol - 0,1 mol = -0,04 mol. Kadangi KOH yra perteklius, gauname neigiamą vertę, kuri nurodo, kad liko 0,04 mol KOH.
5. Apskaičiuojame bendrą tirpalo tūrį: V(tirpalo) = V(HNO₃) + V(KOH) = 0,2 L + 0,3 L = 0,5 L
6. Apskaičiuojame KOH koncentraciją susidariusiame tirpale: C(KOH) = n(KOH) / V(tirpalo) = 0,04 mol / 0,5 L = 0,08 mol/L
7. Kadangi KOH yra stipri bazė, ji visiškai disocijuoja į jonus, todėl [OH⁻] = C(KOH) = 0,08 mol/L.
8. Apskaičiuojame pOH: pOH = -log[OH⁻] = -log(0,08) ≈ 1,1
9. Apskaičiuojame pH: pH = 14 - pOH = 14 - 1,1 = 12,9

Atsakymas: Susidariusio tirpalo pH yra 12,9.

3 pavyzdys:

Eteno (C₂H₄) ir etano (C₂H₆) mišinio, kurio tūris yra 5,6 L (n.s.), masė lygi 7,5 g. Mišinys praleidžiamas per bromo vandenį, kol išnyksta jo spalva. Kiek gramų bromo sureagavo?

Sprendimas:

1. Su bromo vandeniu reaguoja tik etenas (vyksta prijungimo reakcija): C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂
2. Pažymėkime eteno tūrį mišinyje V(C₂H₄) = x L, o etano tūrį V(C₂H₆) = (5,6 - x) L.
3. Apskaičiuojame dujų molių skaičių, žinodami, kad 1 molio dujų tūris normaliomis sąlygomis yra 22,4 L:
   • n(C₂H₄) = V(C₂H₄) / 22,4 = x / 22,4 mol
   • n(C₂H₆) = V(C₂H₆) / 22,4 = (5,6 - x) / 22,4 mol
4. Apskaičiuojame dujų masę:
   • m(C₂H₄) = n(C₂H₄) * M(C₂H₄) = (x / 22,4) * 28 = 1,25x g
   • m(C₂H₆) = n(C₂H₆) * M(C₂H₆) = ((5,6 - x) / 22,4) * 30 = (7,5 - 1,34x) g
5. Sudarome lygtį, remdamiesi tuo, kad bendra mišinio masė yra 7,5 g: 1,25x + 7,5 - 1,34x = 7,5
6. Išsprendžiame lygtį: -0,09x = 0; x = 0. Vadinasi, pradiniame mišinyje eteno nebuvo, visas mišinys buvo sudarytas iš etano. Tokiu atveju, bromo vanduo išvis neturėjo reaguoti.
7. Patiksliname sąlygą: Tarkime, kad mišinys praleistas per bromo vandenį, kol nustojo reaguoti visas turimas eteno kiekis. Tuomet:
8. Pakartojame 5 žingsnį: 1,25x + 7,5 - 1,34x = 7,5; -0,09x = 0, x = 5 L
9. Apskaičiuojame eteno molių skaičių: n(C₂H₄) = 5 L / 22,4 L/mol ≈ 0,223 mol
10. Pagal reakcijos lygtį, 1 mol C₂H₄ reaguoja su 1 mol Br₂. Vadinasi, sureagavo 0,223 mol Br₂.
11. Apskaičiuojame bromo masę: m(Br₂) = n(Br₂) * M(Br₂) = 0,223 mol * 160 g/mol ≈ 35,7 g

Atsakymas: Sureagavo 35,7 g bromo.

Pastaba: Šio uždavinio sprendimas parodė, kad pradinė sąlyga buvo netiksli (visas mišinys negalėjo būti sudarytas tik iš etano, nes tada bromas nereaguotų). Pakeitus sąlygą, gavome logišką atsakymą.

3. Pasiruošimas egzaminui

Artėjant chemijos egzaminui, svarbu ne tik pakartoti teorinę medžiagą, bet ir skirti pakankamai laiko uždavinių sprendimui. Štai keletas patarimų, kaip efektyviai pasiruošti:

• Sistemingai kartokite teoriją. Naudokite šį apibendrinimo skyrių, kad prisimintumėte svarbiausias sąvokas, formules ir reakcijų lygtis. Galite susidaryti savo konspektus, schemas ar lenteles, kurios padėtų geriau įsiminti informaciją.
• Spręskite kuo daugiau uždavinių. Pradėkite nuo paprastesnių uždavinių, o vėliau pereikite prie sudėtingesnių. Svarbu ne tik gauti teisingą atsakymą, bet ir suprasti sprendimo eigą.
• Analizuokite savo klaidas. Jei padarėte klaidą, būtinai išsiaiškinkite, kodėl ji atsirado. Grįžkite prie teorijos, jei reikia, ir pabandykite išspręsti uždavinį dar kartą.
• Naudokitės įvairiais šaltiniais. Be vadovėlio, galite naudotis uždavinynais, internetiniais testais, konsultacijomis su mokytoju.
• Pasitikrinkite savo žinias. Išspręskite ankstesnių metų egzaminų užduotis, kad susipažintumėte su egzamino formatu ir reikalavimais.
• Planuokite savo laiką. Pasiruošimui egzaminui skirkite pakankamai laiko, kad spėtumėte viską pakartoti ir įtvirtinti.
• Nepamirškite pailsėti. Svarbu ne tik mokytis, bet ir skirti laiko poilsiui, kad smegenys galėtų pailsėti ir geriau įsisavinti informaciją.

Svarbiausia - nepasiduoti ir sistemingai dirbti. Sėkmės egzamine!