PODSTAWOWE POJĘCIAI PRAWA CHEMICZNE

Definicja chemii

Chemia po chińsku(dokł.: badanie

zmian)

CHEMIA – nauka zajmująca się otrzymywaniem i badaniem (właściwości, struktury, a także reakcji chemicznych) pierwiastków i ich połączeń.

W toku reakcji chemicznych znikają jedne substancje, a powstają inne (tworzenie lub zrywanie wiązań chemicznych).

Ze względu na dużą liczbę połączeń węgla utrzymuje się podział na:

- chemię nieorganiczną - chemię organiczną

ChemiaChemia nieorganiczna jest ściśle powiązana z innymi naukami, np.:

fizykąchemią fizyczną chemią organicznątechnologią chemicznąmineralogiągeologiągeochemiąmetalurgiąkosmochemiąceramikątechniką jądrowąfizyką teoretycznąbiochemią

Zastosowania chemii

Teoria atomistyczna Daltona

John Dalton (1766-1844)Wszystkie substancje składają się z niezmiernie małych, niepodzielnych cząstek (atomów) zachowujących swoją indywidualność we wszystkich przemianach chemicznych. Atomy danego pierwiastka są identyczne pod każdym względem, m. in. mają jednakową masę. Atomy różnych pierwiastków różnią się swoimi własnościami, maja różne masy.Związki chemiczne powstają wskutek łączenia się atomów różnych pierwiastków w określonych i stałych stosunkach liczbowych. Masyatomów nie ulegają zmianie w czasie reakcji chemicznej.

Prawo zachowania masy

J.B. van Helmont (XVII w.), M. Łomonosow (1760), A. Lavosier (1785)

We wszystkich reakcjach chemicznych suma mas produktów jest równa sumie mas substratów.

np.: A + B ⇒ C + D

mA + mB = mC + mD Σmi = const.

Prawo zachowania masy i energiiRównoważność masy i energii

Suma mas substratów (substancji wziętych do reakcji) jest równa sumie mas produktów. Jeżeli podczas reakcji następujeubytek mas, to wydziela się energia określona wzorem Einsteina

∆E = ∆m·c2Łącznie prawo to zapisujemy wzorem:

Σ(∆m + ∆E) = const.gdzie:

c – prędkość światła wynosząca 2,997925 × 108 m·s-1, ∆m -zmiana masy w kg, ∆E – zmiana energii w J

Prawo stałych stosunków wagowychPrawo stałości składu

J. Proust (1779 r.)

Atomy poszczególnych pierwiastków mają jednakowe masy oraz w określonej substancji na daną liczbę atomów jednego pierwiastka przypada stała liczba atomów drugiego pierwiastka.

Stosunek ilości wagowych pierwiastków łączących się w dany związek jest stały.

np. dla związku o wzorze: AB Kmm

B

A =

Prawo stałych stosunków wielokrotnych

J. Dalton (1808 r.):

Jeżeli dwa pierwiastki tworzą ze sobą dwa lub więcej związków, to ilości wagowe jednego z nich, łączące się w tych związkach z tą samą ilością wagową drugiego, mają się do siebie jak proste liczby naturalne.

np.: w tlenkach azotu N2O NO N2O3 NO2 N2O5

Na 1 atom N przypada O,5 : 1 : 1,5 : 2 : 2,5 atomów ONa stałą liczbę jednostek wagowych azotu przypada

X tlenu / const azotu = 1 : 2 : 3 : 4 : 5

Prawo objętościowe Gay - Lussaca

L.J. Gay-Lussac (1805 r.)

Objętości produktów i substratów gazowych (mierzone w tej samej temperaturzei pod tym samym ciśnieniem) biorących udział w danej reakcji chemicznej mają się do siebie jak proste liczby naturalne.

np.: dwie objętości H2 reagują z jedną objętością O2 dając 2 objętości H2O

2 H2 + O2 ⇒ 2 H2O

2 Vwodoru : 1 Vtlenu : 2 Vpary wodnej

Hipoteza Avogadra

A. Avogadro (1776-1856)

Jednakowe objętości dwóch różnych gazów znajdujących się w tej samej temperaturze i pod tym samym ciśnieniem zawierają jednakową liczbę cząstek.

np.: H2 + Cl2 ⇒ 2 HCl

1 : 1 : 21 objętość H2 : 1 objętość Cl2 ⇒ 2 objętości HCl

Jądrowy model atomu

Badania nad budową materii

anoda katoda

wysokie napięcieekran fluoryzujący

J.J. Thomson(1856-1940)

Promienie katodowe - emitowane w rurkach próżniowych przez ujemnie naładowaną metalową katodę. W polu elektrycznym i magnetycznym ulegają odchyleniom świadczącym o ich ładunku ujemnym. Badania J.J. Thomsona nad promieniami katodowymi doprowadziły do wyznaczenia stosunku ładunku do masy dla elektronu (1897r).

e/m = 1,75880·1011 C · kg-1

Promieniowanie kanalikowe – powstaje, gdy promienie katodowe przechodzą przez silnie rozrzedzony gaz. Kierunek odchylenia sięw polu elektrycznym i magnetycznym promieni kanalikowych przechodzących przez kanaliki w katodzie wskazuje, że stanowią strumień cząstek naładowanych dodatnio. Stwierdzono, że stosuneke/m jest o wiele mniejszy niż w przypadku promieni katodowych i zależy od rodzaju użytego gazu.

Ładunek elektronu (ładunek elementarny) wyznaczył Robert A. Millikan (1913)

e = 1,6021892 ·10-19 C

Eksperyment RutherfordaZjonizowane atomy He (cząstki α) mają dwa elementarne ładunki dodatnie. Mogą być produktem rozpadu nietrwałych atomów.Z badań E. Rutherforda (1911) wynika, że ośrodki, w których skupiona jest duża masa: - mają ładunek dodatni- mają małą objętość w porównaniu z objętością atomów- mają puste przestrzenie o dużej objętości w porównaniu z objętościącząstek α

złota folia

detektor szczelina

emiter cząstek α

Koncepcja jądrowej budowy atomu

Ernest Rutheford (1871-1937)

Koncepcja jądrowej budowy atomu (układ planetarny)

W centrum atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro atomu, skupiające prawie całą masę atomu. Dookoła krążą ujemne elektrony, zobojętniające ładunek dodatni zlokalizowany w centrum atomu, przyciągane działaniem sił elektrostatycznych.

Elektrony decydują o właściwościach atomu:- optycznych - magnetycznych- chemicznych

Rozmiary atomu: 10-10 m; promień jądra: 10-15 m, promień elektronu: 10-15 m.

Cząstki elementarne atomu

Niewielkie jądro atomu składające się z protonów i neutronów jest otoczone przez chmurę elektronową.

Rozmiary atomu: 10-10 m; promień jądra: 10-15 m, promień elektronu: 10-15 m.

Proton, neutron, elektron

-1,6022 10-19

0

+1,6022 10-19

Ładunek cząstki

[C]

9,1095 10-28elektron

1,6749 10-24neutron

1,6725 10-24proton

Masa cząstki[g]

Symbol cząstki

Nazwa cząstki elementarnej

p11

n10

e01

Rozmiary atomu: 10-10 m; promień jądra: 10-15 m, promień elektronu: 10-15 m.

AtomAtom w normalnym stanie jest elektrycznie obojętny.

e– = e+

Pierwiastek

Pierwiastek ZX - zbiór atomów o tej samej liczbie atomowej (Z),tzn. o tej samej liczbie protonów.

Liczba atomowa – ZLiczba masowa – A

Liczba atomowa (Z = np) - liczba protonów w atomie. Jednocześnie jest:

liczbą dodatnich ładunków elementarnych w atomie

liczbą elektronów w atomie obojętnego pierwiastka

liczbą porządkową w układzie okresowym pierwiastków

Liczba masowa (A = np + nn) - liczba nukleonów w jądrze atomowym (suma protonów i neutronów) A – Z = nn

Liczby atomową i masową oznaczamy

np. :

XAZ

XAZ

Li73 Mn55

25 Ba13856He4

2

Współczesny układ okresowy

Izotopy i nuklidy

Izotopy – odmiany pierwiastka o takiej samej liczbie atomowej (Z) i o różnej liczbie masowej (A), tzn. o tej samej liczbie protonów i różnej liczbie neutronów.

Właściwości fizyczne i chemiczne izotopów tego samego pierwiastka są niemal takie same. Większość pierwiastków występujących w przyrodzie stanowi mieszaninę kilku izotopów zachowującą na ogół stały skład, niezależnie od pochodzenia oraz sposobu otrzymania preparatu.

Nuklidy – atomy poszczególnych izotopów.

Spektrometr masowy

J.J. Thomson (1907), A.J. Dempster (1918), F.W. Aston (1919)

Badaną substancję w postaci gazu pod bardzo niskim ciśnieniem wprowadza się wąskim strumieniem do komory próżniowej. Tam poddaje się działaniu promieni katodowych biegnących prostopadle do kierunku strumienia cząstek gazowych. Rozpędzone elektrony (promienie katodowe) zderzając się z obojętnymi cząstkami gazu wyrywają z nich elektrony. Tak wytworzony strumień jonów dodatnich (wiązka promieni kanalikowych) przechodzi przez układ pól elektrycznych i magnetycznych odchylających ich bieg. Następnie prowadzi się pomiar natężenia jonów o tym samym stosunku Q/m.

Dzięki niemu wykazano w bezpośredni sposób istnienie izotopów, można wyznaczyć z dużą dokładnością masy atomowe pierwiastków. Obecnie można wykryć cząsteczki różniące się mniej niż o 1/100 000 część wagową.

Spektrometr masowy - schemat

Gaz

Strumień elektronów

Strumień jonówMagnes

DetektorPole elektryczne przyspieszające jony

Drut oporowy

Względna masa atomowaWzględna masa atomowa – liczba określająca, ile razy masa danego izotopu (nuklidu) jest większa od 1/12 masy atomu węgla 12C.

1 unit [u] – masa 1/12 masy izotopu 12C = 1,66 · 10 – 24 g

Średnią masę atomową np. C (o izotopach 12C i 13C) obliczymy wiedząc, że w 10 000 atomów jest:

9889 atomów 12C o masie 12,000000 [u]111 atomów 13C o masie 13,003355 [u]

g101,6612

g101,99212

mu1 24–

–23C12

⋅=⋅

==

[ ]u12,01110000

13,00335511112,0000009889=

⋅+⋅=M

Masa atomowa pierwiastka jest średnią ważoną mas

atomowych jego izotopówMat. = x1·M1 + x2 · M2 + x3 · M3 + ....gdzie: x1 + x2 + x3 + ...... = 1

Udziały ułamkowe x można zastąpić zawartościami (udziałami) procentowymi C%

Mat. = C%1 · M1 + C%2 · M2 + + C%3 · M3 + ....gdzie: C%1 + C%2 + C%3 + ...... = 100%Przykład - Tlen na naszym globie składa się z następujących

trzech izotopów: 16O, C%O-16 = 99,7575%17O, C%O-17 = 0,0392% 18O, C%O-18 = 0,2033%

Zatem: Mat. tlenu = C%O-16 · M1 + C%O-17 · M2 + C%O-18 · M3 == 99,7575% · 15,994915 + 0,0392% · 16,999311 + + 0,2033% · 17,999160 = 15,9994

Neon składa się z trzech izotopów

Masa atomowa

Cząsteczki - definicja, modelezespół przynajmniej dwóch atomów geometrycznie wzajemnie zorientowanych i połączonych wiązaniami chemicznymi

Jony – kationy i anionyatomy, zespół atomów, cząsteczki obdarzone ładunkiem elektrycznym

Względna masa cząsteczkowa, mol i liczba Avogadro

Względna masa cząsteczkowa (M) – liczba określająca, ile razy masa danej cząsteczki jest większa od 1/12 masy atomu węgla 12C.

Mol – jest miarą liczności materii i składa się ze ściśle określonej liczby elementów równej NA - liczba Avogadro.

Mol każdego związku chemicznego zawiera:

NA = 6,022 · 1023 cząsteczek · mol-1

warto ją zapamiętać!

-Znając liczbę Avogadro można wyznaczyć masę atomową lub cząsteczkową wyrażoną w gramach. Np. dla wodoru:-w 1 molu atomów wodoru (1,0079 g·mol-1) zawarte jest 6,022045 · 1023 atomów wodoru:

kggmH2724

23 106736,1106736,110022045,6

0079,1 −− ×=×=×

=

Masa molowa

Masa molowa – masa jednego mola atomów (cząsteczek) danego pierwiastka (związku chemicznego) wyrażona w g·mol-1.

Masa materii a jej liczność

Liczba moli n jest to stosunek masy m [g]do masy molowej M [g/mol]

n = m / M [g/g/mol] = [mol]

m = n • M[mol • g/mol] = [g]

1 mol: miedzi (monety), żelaza (gwoździe), węgla ( czarny węgiel drzewny), siarki (żółty

proszek), rtęci (połyskująca metaliczna ciecz)

Co można wyrażać w molach?

Wszystko co można policzyć. Zatem: cząstki elementarne (nukleony, elektrony), atomy, cząsteczki i inne dowolne obiekty – zazwyczaj małe i bardzo liczne.Przykład 1: Ile moli jest w kilogramie złota?

n = m/M = 1 •103 [g] / 196,97 [g/mol] = 5,08 [mol] złotaPrzykład 2: Ile moli wody zawarte jest w organizmie człowieka o masie 80 kg i zawartości wody 75 % ?

n = m/M = 8 •104 [g] • 0,75 / 18,016 [g/mol] = 3,330 •103 [mol] wodyPrzykład 3: Ile moli ludzi żyje na ziemi przyjmując, że jest nas

6 miliardów = 6 •109 ?n = 6 •109/NA = 6•109 [ludzi]/6,022 ·1023 [ludzi/mol]=0,965•10-14 [mol] ludziWniosek ! dotyczący przykładu 3 - nie wszystko warto liczyć w molach?

Objętość molowa gazuZgodnie z hipotezą Avogadro:

Objętość jednego mola cząsteczek dowolnej substancji gazowej jest stała w danych warunkach ciśnienia i temperatury.

W warunkach normalnych (w temperaturze t = 273,15 K = 0° C i pod ciśnieniem p = 1,10325·105 Pa)objętość 1 mola dowolnego gazu wynosi: 22,41383(70) dm3 · mol-1

Np. objętość 1 mola N2 = objętość 1 mola Cl2 = 22,41383(70) dm3 · mol-1

Stechiometria chemiczna

Stechiometria - dział chemii zajmujący się obliczeniami rachunkowymi na podstawie poznanych praw chemicznych(symboli, wzorów i równań chemicznych)

Zasady obliczeń stechiometrycznych

H2 + Cl2 ⇒ 2 HClTaki zapis oznacza, że:• 1 dwuatomowa cząsteczka wodoru reaguje z 1 dwuatomową

cząsteczką chloru dając 2 cząsteczki chlorowodoru• 1 mol wodoru reaguje z 1 molem chloru dając 2 mole

chlorowodoru• 2,0158 g wodoru reaguje z 70,906 g chloru dając 72,9218 g

chlorowodoru• 6,022·1023 cząsteczek wodoru reaguje z 6,022·1023 cząsteczek

chloru dając 12,044 ·1023 cząsteczek chlorowodoru• 22,41383 dm3 wodoru reaguje z 22,41383 dm3 chloru dając

44,82766 dm3 chlorowodoru ** gdy substancje stosują się do praw gazu doskonałego i w warunkach normalnych:

t = 273,15 K = 0° C p = 1,10325 ·105 Pa = 1 atm

Najprostszy wzór związku na podstawie składu

Związek składa się z pierwiastków A, B, C i zawiera C%A, C%B, C%CC%A + C%B + C%C = 100% Ogólny wzór związku – AxByCz

x : y : z = C%A/MA : C%B/MB : C%C/MC

Przykład:Związek węgla, wodoru i tlenu zawiera:

C%C = 52,14%, C%H = 13,13%, C%O = 34,73%Ogólny wzór związku: CxHyOz

x : y : z = C%C/MC : C%H/MH : C%O/MO = = 52,14/12,011 : 13,13/1,008 : 34,73/15,999 =

= 4,341 : 13,026 : 2,171 = 2 : 6 : 1Zatem wzór stanowi: C2H6O albo (C2H5OH) – etanol

Trzy sposoby reprezentujące spalanie wodoru – obowiązuje

prawo zachowania masy !

Trzy typy stechiometrycznych obliczeń opartych na molach

Ilości substratów i produktów

Model naszej planety

Porównaj skład skorupy ziemskiej i ciała ludzkiego

Zawartość pierwiastków w organizmie człowieka

0,10,05

<0,05<0,05<0,05<0,05<0,05<0,01<0,01

SódMagnezŻelazoKobaltMiedźCynkJodSelenFluor

65181031,51,20,20,20,2

TlenWęgielWodórAzotWapńFosforPotasSiarkaChlor

PROCENT MASOWY

PIERWIASTEKPROCENT MASOWY

PIERWIASTEK