Balansera reaktioner med joner

KlmJan skrev:

Hej,

Jag hade behövt hjälp med att balansera lite reaktioner med joner.

Först och främst natrium som reagerar med vatten.

Jag tänkte att det skulle bilda natriumoxid och väte men det var visst fel. Tydligen bildas det natriumjoner och hydroxidjoner. Hur ska jag Veta vad som bildas och hur mycket av allt och alla olika laddningar? Jag vet att natrium blir positivt när det reagerar med andra ämnen mer hur ska jag veta allt annat liksom? 

Och en liten sidofråga, hur kan det bli så varmt att det börjar brinna när man lägger natrium i vatten? För det gör det väl?

Tacksam för all hjälp!

När du går på gymnasiet kommer du att få lära dig att natrium är en av alkalimetallerna, och att den gruppen kallas så för att de bildar en alkalisk ( = basisk) lösning när de hamnar i vatten, och att alla alkaliska lösningar innehåller hydroxidjoner.

ok tack! Jag vet att natrium är en alkalimetall och jag har läst någonstans att det betyder att det bildar en basisk lösning i vatten faktiskt! men hur kommer det sig att det börjar brinna då?

Det bildas vätgas och det frigörs värme, så vätet börjar brinna.

Ja det förstår jag, väte är ju lätt reaktivt, men varifrån kommer värmen? Låter som en jättedum fråga men förstår inte riktigt.

Varje kemisk bindning mellan atomer innehåller en viss mängd energi. När en kemisk reaktion sker, bryts gamla bindningar och nya bildas. När starkare bindningar bildas frigörs energi eftersom det krävs mindre energi för att hålla samman de nya molekylerna än vad som fanns lagrat i de ursprungliga bindningarna. I reaktionen mellan natrium och vatten frigörs mer energi när de nya bindningarna bildas än den energi som behövs för att bryta de gamla bindningarna. Denna överskottsenergi frigörs som värme. Eftersom reaktionen är snabb och kraftig, leder den till att mycket energi frigörs på en gång, vilket gör att temperaturen i systemet ökar kraftigt. Detta gör att vätgasen som bildas kan antändas.

fner skrev:

Varje kemisk bindning mellan atomer innehåller en viss mängd energi. När en kemisk reaktion sker, bryts gamla bindningar och nya bildas. När starkare bindningar bildas frigörs energi eftersom det krävs mindre energi för att hålla samman de nya molekylerna än vad som fanns lagrat i de ursprungliga bindningarna. I reaktionen mellan natrium och vatten frigörs mer energi när de nya bindningarna bildas än den energi som behövs för att bryta de gamla bindningarna. Denna överskottsenergi frigörs som värme. Eftersom reaktionen är snabb och kraftig, leder den till att mycket energi frigörs på en gång, vilket gör att temperaturen i systemet ökar kraftigt. Detta gör att vätgasen som bildas kan antändas.

Tack på jättemycket för förklaringen!

Det är lite missvisande att säga att bindningarna i sig innehåller energi, för det är inte riktigt sant. Det är just (som fner nämnde) att systemet kan sänka sin energi genom att natrium ger bort en elektron till vattnet som frigör energi. 

Det är när bindningar bildas som det frigörs energi, och det är när de bryts som det går åt energi. Det är exempelvis (delvis) därför du kan få bort gröten som stelnat i kastrullen genom att hetta upp den igen; bindningarna som skapats bryts igen.

De flesta reaktioner som är spontanta är också exoterma. Sådant här kommer du läsa om på gymnasiet, och om inget annat på universitetet om du studerar kemi. Några nyckelbegrepp här är Gibbs fria energi och entropi.

naytte skrev:

Det är lite missvisande att säga att bindningarna i sig innehåller energi, för det är inte riktigt sant. Det är just (som fner nämnde) att systemet kan sänka sin energi genom att natrium ge bort en elektron till vattnet som frigör energi. 

Det är när bindningar bildas som det frigörs energi, och det är när de bryts som det går åt energi. Det är exempelvis (delvis) därför du kan få bort gröten som stelnat i kastrullen genom att hetta upp den igen; bindningarna som skapats bryts igen.

---

De flesta reaktioner som är spontanta är också exoterma. Sådant här kommer du läsa om på gymnasiet, och om inget annat på universitetet om du studerar kemi. Några nyckelbegrepp här är Gibbs fria energi och entropi.

Tack för förklaringen! Jämförelsen med gröten var väldigt intressant. So om vi tar det som ett konkret exempel då, så binds vattnet med atomerna i havret och det bildas nya bindningar samt energi. och när den stelnar i kastrullen bryts dessa bindningar igen och (kanske) bildar nya. Och så klart är detta bara en del av varför vi kan få bort den stelnade gröten. Jag ka nvara helt ute ock cykla just nu, detta är mer bara en gissning jag gjorde. Säkert helt fel haha

Själva prinicpen är att när de intermolekylära bindningarna mellan din gröt och kastrullen bildas så frigörs det lite energi. För att bryta dessa bindningar igen måste du aktivt tillföra energi. Jag är osäker på exakt hur dessa mekanismer ser ut, och antagligen är det så att bindningar bara är en av anledningarna till att gröten fastnar. Det var bara ett exempel för att illustrera principen.

Och om du är intresserad så är det så här reaktionen då fast natrium reagerar med vatten ser ut i kemiskt symbolspråk:

$\displaystyle 2\mathrm{Na} \;(s)\;+ \;2\mathrm{H_{2}O} \;(l)\longrightarrow 2\mathrm{NaOH} \;(aq)\;+\; \mathrm{H_{2}} \; (g)$

naytte skrev:

Själva prinicpen är att när de intermolekylära bindningarna mellan din gröt och kastrullen bildas så frigörs det lite energi. För att bryta dessa bindningar igen måste du aktivt tillföra energi. Jag är osäker på exakt hur dessa mekanismer ser ut, och antagligen är det så att bindningar bara är en av anledningarna till att gröten fastnar. Det var bara ett exempel för att illustrera principen.

---

Och om du är intresserad så är det så här reaktionen då fast natrium reagerar med vatten ser ut i kemiskt symbolspråk:

$\displaystyle 2\mathrm{Na} \;(s)\;+ \;2\mathrm{H_{2}O} \;(l)\longrightarrow 2\mathrm{NaOH} \;(aq)\;+\; \mathrm{H_{2}} \; (g)$

Förlåt, asså verkligen sista frågan, men vad betyder de olika variablerna/bokstäverna/tecknen? om du vet då

Menar du de som står i parantes?

ja

Det är ett sätt att ange fasen som ämnet befinner sig i. Natriumet är i fast form, och detta betecknas med (s), alltså solid. Ämnen i vätskefas betecknas med (l), alltså liquid. Ämnen i gasfas betecknas med (g), alltså gaseous.

(aq) betyder att ämnet är löst i vatten, och står för det engelska ordet aqueous.

oki tack så jättemycket fö hjälpen!

Jag ser nu också att frågan delvis handlar om reaktionstypen här (om jag inte missförstår titeln). Här är det en redoxreaktion som äger rum. Det är en sammandragning av reduktions-oxidations-reaktion. Som du kanske vet så reduceras ett ämne då det får elektroner, och det oxideras då det förlorar elektroner.

I vårt fall är oxidationen följande:

$\displaystyle \mathrm{Na} \;\left(s\right) \longrightarrow \mathrm{Na^+}\;+\;\mathrm{e^-} \;\;(1)$

$\displaystyle 2\mathrm{H_{2}O}\; \left(l\right) \;+\; 2\mathrm{e^-}\longrightarrow \mathrm{H_{2}}+2\mathrm{OH^-}\;\;(2)$

För att addera $(1)$ och $(2)$ måste vi multiplicera $(1)$ med 2, för att koefficienterna framför elektronerna ska bli samma. Då vi sedan adderar dessa reaktionerna ser vi:

$\displaystyle 2\mathrm{Na} \;\left(s\right)\; +\;2\mathrm{H_{2}O}\; \left(l\right)\;+\; \cancel{2\mathrm{e^-}} \longrightarrow 2\mathrm{Na^+}\;\left(aq\right)\;+\;\cancel{2\mathrm{e^-}}\;+\;\mathrm{H_{2}}\;\left(g\right)\;+\;2\mathrm{OH^-}\;\left(aq\right)$

Detta ger:

$\displaystyle 2\mathrm{Na} \;\left(s\right)\; +\;2\mathrm{H_{2}O}\; \left(l\right)\; \longrightarrow \underbrace{2\mathrm{Na^+}\;\left(aq\right)\;+\;2\mathrm{OH^-}\;\left(aq\right)}_{2\mathrm{NaOH}\;\left(aq\right)}\; +\;\mathrm{H_{2}}\;\left(g\right)$

Tillägg: 13 sep 2024 08:02

Du kanske funderar på hur jag visste att det fanns hydroxidjoner i HL av $(2)$? Vi börjar med det vi vet:

$\displaystyle \mathrm{H_2O}\;+\;\mathrm{e^-}\longrightarrow \mathrm{H_2}$

För att balansera laddningnar måste vi lägga till en hydroxidjon i HL. Anledningen till att laddningar måste vara balanserade är att elektroner har massa, och massa kan inte bara försvinna eller nyskapas (även om det vore fett om så vore fallet!). Men då vi adderar en hydroxidjon så ser du att atomslagen blir obalanserade:

$\displaystyle \mathrm{H_2O}\;+\;\mathrm{e^-}\longrightarrow \mathrm{H_2}\;+\;\mathrm{OH^-}$

För att fixa atomslagen brukar jag ställa upp ett litet ekvationssystem:

$\displaystyle x\mathrm{H_2O}\;+\;\mathrm{e^-} \longrightarrow  y\mathrm{H_2}\;+\; x\mathrm{OH^-}\implies \left\{\begin{array}{ll}2x=2y+x&\text{(villkor för H) }\\x=x&\text{(villkor för O) }\end{array}\right.$

Anledningnen till att vi vet att det också måste finnas $x$ hydroxidjoner är att alla syreatomer kommer från vattnet, och en hydroxidjon har lika många syreatomer som en vattenmolekyl. Så antalet vatten måste vara samma som hydroxidjonerna. 

Om man löser ekvationssystemet (finns inte mycket att lösa, faktiskt) ser vi att det tydligen inte spelar någon roll hur vi väljer $x$ och $y$, så länge $x$ är dubbelt så stort. Då väljer vi helt enkelt $x=2$, eftersom det tillåter oss cancellera elektronerna snyggt när vi adderar reduktions- och oxidationshalvan.