Ćwiczenie nr 1. (2 godz.)

wymagany kalkulator oraz układ okresowy pierwiastków

1. Budowa i właściwości materii.

• Ilościowy opis materii.

• Chemiczne jednostki miar.

• Jednostki miar SI i ich wielokrotności.

• Obliczenia stechiometryczne dla związków i równań chemicznych.

• Utrwalenie podstawowych pojęć i praw chemicznych

Podstawowe

Przedmiot chemii:

chemia jest nauką badającą i opisującą materię - jej właściwości, strukturę oraz przemiany, którym ulega.

Materia i energia:

Pojęciami pierwotnymi (niedefiniowalnymi) w chemii są materia i energia. Nazywa się je po prostu formami istnienia obiektywnej rzeczywistości. Podstawową wymierną cechą materii jest jej masa (jak zdefiniować masę? niech będzie to współczynnik reprezentujący ciało materialne (co to jest ciało?) w II prawie Newtona - F = m a), a związek pomiędzy masą a zasobem energetycznym układu (ciało lub zespół ciał poddawanych obserwacji) opisuje słynne równanie Einsteina (1905): E = mc², gdzie E jest energią [J] (jak zdefiniować energię? najprościej jako zdolność do wykonania pracy), m - masa [kg], c - prędkością światła (3 10⁸ m/s). Równanie Einsteina pozwala uznać materię i energię za całkowicie równorzędne.

Przykład 1.1

Podczas wybuchu 1 kg TNT wydziela się 4,6 10⁶ J. Ile wyniesie masa produktów detonacji? m= E/c² = 4,6 10⁶/9 10¹⁶ = ~0,5 10^-10 kg.

Masa produktów wyniesie: 0,99999999995 kg.

Przykład 1.2

Gdy 1 kg uranu 235U ulega rozszczepieniu jądrowemu, w bombie atomowej wydziela się energia 8,23 10¹³ J. Jaka jest masa produktów reakcji?

m=E/c² = 8,23 10¹³/9 10¹⁶ = 0,0009144 kg

Masa produktów wyniesie: 0,999086 kg.

Prawo zachowania materii (energii):

Materia (energia) spełnia najważniejsze prawo przyrodoznawstwa, tzn. prawo zachowania materii (masy i energii): „w żadnym procesie materia (masa+energia) nie ginie ani nie powstaje z niczego, jedynie jej postacie przechodzą w inne, lecz jej ilość nie ulega zmianie”

Ilość materii (energii) można wyrażać w jednostkach masy [kg] (dla dużych ilości) lub energii [J; 1 J = 1 kg m² s^-2] (dla małych ilości)

Rodzaje materii i energii:

Energia mechaniczna (kinetyczna i potencjalna), cieplna, chemiczna, elektryczna, jądrowa.

Energia kinetyczna ciała jest energią jaka ma to ciało w wyniku swego ruchu. Dla ciała o masie m poruszającego się z prędkością v, energia kinetyczna wynosi E_k = 0,5mv², z czego wynika że energia kinetyczna ciała o dużej masie i poruszającego się ze znaczna prędkością jest duża. Energia potencjalna ciała jest z kolei energia wynikającą z jego położenia. Wybór poziomu zerowego energii potencjalnej jest sprawą umowną - np. energia potencjalna ciała znajdującego się na powierzchni Ziemi jest przyjmowana za zerową (E_p=mgh), a zero energii potencjalnej dwóch naładowanych cząstek odpowiada nieskończonej odległości pomiędzy nimi. W chemii większe znaczenie ma energia potencjalna naładowanego ciała w sąsiedztwie innego naładowanego ciała (pole elektryczne działa wyłącznie na ładunek). Jeśli w próżni cząsteczka o ładunku q₁ znajduje się w odległości r od innej cząsteczki o ładunku q₂ to energia potencjalna dana jest wzorem: E_p = (q₁ q₂)/(4₀r).

Przykład 1.3

Ile wynosi masa elektronu poruszającego się z prędkością 0,9 prędkości światła? Masa spoczynkowa elektronu jest równa 9,1 10^-31 kg.

m=m₀/(1-(0,9c/c)²)^0,5 = 2,09 10^-30 kg.

Substancja chemiczna:

to wyodrębniona czysta postać materii. Dzieli się je na substancje proste (pierwiastki chemiczne) i złożone (związki chemiczne). Pierwiastek chemiczny zawiera wyłącznie atomy o takiej samej liczbie atomowej, czyli identycznej liczbie protonów w jądrze. Jądra tych samych pierwiastków mogą zawierać różną liczbę neutronów. Nazywa się je wówczas izotopami. Liczbę wszystkich nukleonów (protonów i neutronów) w jadrze atomu nazywa się liczbą masową pierwiastka. Różne pierwiastki, ale o tej samej liczbie masowej noszą nazwę izobarów.

Przykład 1.4

Podać skład jądra każdego z trzech izotopów magnezu (Z = 12): ²⁴Mg, ²⁵Mg i ²⁶Mg

Jednostką masy atomowej,

oznaczaną małą literą u, jest 1/12 część masy izotopu węgla ¹²C. W skali bezwzględnej u wynosi zaledwie 1,6605 10^-24 g. Masę atomową (cząsteczkową) wyraża liczba określająca ile razy masa atomu (cząsteczki) jest większa od u. Odwrotnością jednostki masy atomowej jest stała Avogadra N_A, czyli 6,02 10²³ mol^-1. Stała Avogadra N_A nie jest liczbą, lecz wielkość mianowaną [mol^-1].

Przykład 1.5

Obliczyć wielkość średniej masy atomowej z czterech liczb masowych czterech izotopów siarki, jeżeli ich procentowy udział jest następujący: ³²S - 95,02%, ³³S - 0,75%, ³⁴S - 4,21%, ³⁵S - 0,02%.

M = 32*0,9502 + 33*0,0075 + 34*0,0421 + 35*0,0002 = 32,096

Ilość substancji w makroskopowych próbkach podajemy w chemii w jednostkach zwanymi molami. Formalna definicja mola określa, że jest to taka ilość substancji, w której liczba obiektów (atomów cząsteczek, jonów) jest równa liczbie atomów zawartych dokładnie w 12 gramach izotopu węgla ¹²C, czyli stałej Avogadra. Masa 1 mola obiektów nosi nazwę masy molowej i wyraża się w kg/mol.

• Przykład 1.6

Obliczyć ile atomów żelaza znajduje się w 1 mm³, jeżeli wiadomo, że gęstość tego metalu wynosi 7874 kg/m³, a masa molowa jest równa 55,845 g.

Objętość 1 M żelaza jest równa: 55,845*1000/7,874 = 7092,33 mm³,

W 1 mm³ żelaza jest 6,02*10²³/7092,33 = 8,488*10¹⁹ atomów.

Podstawowe prawa chemii:

Reakcje chemiczne zaczęto systematycznie badać pod koniec XVIII wieku. Genialni chemicy tamtych czasów (Łomonosow, Lavoisier, Proust i Dalton) sformułowali trzy prawa, które uznano za podstawowe prawa chemii:

1. prawo zachowania masy,

2. prawo stałych proporcji wagowych,

3. prawo wielokrotnych proporcji wagowych.

Prawo zachowania masy

Mówi, że w reakcji chemicznej masa substratów jest równa masie produktów. Inaczej - masa substancji biorących udział w reakcji chemicznej nie ulega zmianie.

• Prawo stałych proporcji wagowych

Każdy związek chemiczny ma stały skład ilościowy stały stosunek mas atomów poszczególnych pierwiastków w cząsteczce.

• Prawo wielokrotnych proporcji wagowych

Jeżeli dwa pierwiastki tworzą kilka różnych związków chemicznych, to w związkach tych na tę samą masę jednego pierwiastka przypadają ściśle określone masy pierwiastka drugiego, pozostające do siebie w stosunku niewielkich liczb całkowitych.

• Stechiometria

Obliczenia chemiczne przeprowadzane na podstawie wzorów i równań chemicznych nazywa się stechiometrią. W obliczeniach stechiometrycznych wykorzystuje się oprócz wzorów i równań chemicznych również podstawowe pojęcia i prawa chemiczne, fizyczne prawa stanu gazu oraz stężenia. Wzory chemiczne podają jakościowy i ilościowy skład związków chemicznych. Wzory określają z jakich pierwiastków jest zbudowany dany związek, określą liczbę atomów pierwiastków składowych oraz ściśle określoną jego ilość. Na podstawie wzoru chemicznego można obliczyć zawartość ilościową składników.

Przykład 1.7

1 g ołowiu przeprowadzono w PbS, otrzymując 1,1547 g tego związku. Obliczyć masę atomową ołowiu, jeżeli masa atomowa siarki jest równa 32,06 u.

x/(x+32,06)=1/1,1547, x=207,19 u

Przykład 1.8

1 g BaCO₃ przeprowadzono w BaSO₄ otrzymując 1,1826 g tej soli. Obliczyć masę atomową baru wiedząc, że masy węgla, tlenu i siarki są równe odpowiednio: 12,01u, 16u i 32,06u.

(x+12,01+48)/(x+32,6+64)=1/1,1826 x=137,38u.

Przykład 1.9

Uzasadnić słuszność prawa proporcji wielokrotnych jeżeli wiadomo, że z pewną ilością fosforu może połączyć się 48, 64 lub 80 g tlenu dając trzy różne tlenki fosforu. Największy wspólny dzielnik tych trzech liczb jest równy 16, a zatem 48/64/80=3/4/5.

Wartościowość:

Pojęcie wartościowości odnosi się tylko do pierwiastków w związkach chemicznych. Pierwiastki w stanie wolnym wykazują wartościowość zerową. Do zdefiniowania pojęcia wartościowości poszczególnych pierwiastków wykorzystano fakt, że większość z nich jest zdolna do reakcji z tlenem lub wodorem. Wiedziano wcześniej, że w cząsteczce wody dwa atomy wodoru łączą się z jednym atomem tlenu i to pozwoliło przypisać jedną wartościowość wodorowi i dwie wartościowości tlenowi. Formalnie wartościowość pierwiastka określa liczba atomów wodoru przypadających w cząsteczce (rzeczywistej lub hipotetycznej) na jeden atom danego pierwiastka. Wartościowość jest liczbą niemianowaną i może przyjmować wartości całkowite od 1 do 8.

Przykład 1.10

Węgiel jest pierwiastkiem czterowartościowym, tlen dwuwartościowym, wodór jednowartościowym, co wyrażają symbole:

Wzory strukturalne:

podają sposób wzajemnego powiązania atomów w cząsteczkach związków chemicznych. Kreska przy symbolu pierwiastka wyraża jedną wartościowość, dwie kreski odpowiadają wartościowości równej 2, itd. Oczywiście będziemy rysować wyłącznie wzory płaskie, przedstawiające strukturę cząsteczek w sposób uproszczony.

W celu przedstawienia cząsteczki za pomocą wzoru strukturalnego należy kreski odpowiadające wartościowościom danego atomu łączyć z kreskami drugiego atomu tak, aby żadna wartościowość nie pozostała w cząsteczce wolna. W złożonych cząsteczkach kreślenie wzoru strukturalnego zaczyna się od atomu grupującego wokół siebie pozostałe atomy.

Przykład 1.11

Napisać wzory strukturalne cząsteczek: H₂CO₃, HNO₃, POCl₃, CaSO₄, CaSi₂O₅

Zadania do samodzielnego rozwiązania:

1. W pięciu różnych tlenkach manganu oznaczono procentową zawartość manganu: 1) 77,4%, 2) 69,9%, 3) 63,2%, 4) 53,4%, 5) 49,5%. W jakim stosunku pozostają do siebie masy tlenu przypadające na te samą masę manganu w kolejnych tlenkach.

Odp. 1:1,5:2:2,5:3

2. Która z substancji zawiera więcej cząsteczek: 0,02 mola KOH, czy 0,005 kg WO₃.

Odp. WO₃

3. Obliczyć procentową zawartość wody krystalizacyjnej w gipsie (półwodny siarczan wapnia) CaSO₄ ּ ½ H₂O.

Odp. 6,2%

4. Obliczyć procentową zawartość wody konstytucyjnej w wodorotlenku wapnia Ca(OH)₂.

Odp. 24,3%

5. Obliczyć procentową zawartość żelaza w następujących tlenkach żelaza: FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄.

Odp. 77,7%; 69,9%; 72,4%

6. Ile wynosi wartościowość fosforu w kwasach o wzorach: H₃PO₄ i H₃PO₃. Przedstawić wzory strukturalne tych cząsteczek.

Odp. V; III

7. Ile moli bezwodnej soli znajduje się w 1) 0,25 kg Na₂SO₄·10H₂O, 2) 0,4 kg ZnSO₄·7H₂O, 3) 0,3kg BaCl₂·2H₂O?

Odp. 1) 0,78 mol; 2) 1,39 mol; 3) 1,39 mol

8. Z 0,4464 g PbO otrzymano 0,5562 g PbCl₂. Obliczyć masę atomową ołowiu, jeżeli masa atomowa tlenu wynosi 16 u , a masa atomowa chloru 35,45 u.

Odp. 207 u

9. Obliczyć masę cząsteczkową, molową siarczanu żelaza (III) Fe₂(SO₄)₃. Obliczyć procentową zawartość żelaza, siarki i tlenu w siarczanie żelaza.

Odp.399,87 g/mol; %Fe 27,9%; S 24,1%; %O₂ 48,0%

10. Węglik boru można otrzymać w reakcji redukcji tritlenku boru za pomocą węgla.

2 B₂O₃ + 4 C=B₄C + 3 CO₂
Obliczyć ilość moli i masę węgla, która przereaguje z 6,64 molami B₂O_3, zgodnie z powyższym równaniem chemicznym. Obliczyć masę otrzymanego węglika boru.

Odp. 13,3 mol C; 159,5 g C; 183,4 g B₄C

11. Ile cząsteczek i ile moli wody znajduje się w 55 g siedmiowodnego siarczanu magnezu MgSO₄ · 7 H₂O.

Odp. 9,4·10²³ cząsteczek H₂O; 1,56 mol H₂O

12. Męski hormon testosteron ma wzór cząsteczkowy C₁₉H₂₈O₂. Oblicz z dokładnością do 4 liczb znaczących procentową zawartość węgla w tej substancji.

Odp. 79,12%

13. Żeński hormon estradiol ma wzór cząsteczkowy C₁₈H₂₄O₂. Oblicz z dokładnością do 4 liczb znaczących procentową zawartość węgla w tej substancji. Uwzględniając wyniki zadań 4 i 5 wyjaśnij dlaczego procentowa zawartość węgla w hormonie żeńskim jest wyższa niż w hormonie męskim, pomimo tego, że hormon męski ma o 1 atom węgla więcej.

Odp. 79,37%

14. W doświadczeniu oznaczono stosunek mas molowych M_AgJ/M_AgCl = 1,6381. Obliczyć masę atomową jodu. Masy atomowe srebra i chloru wynoszą odpowiednio: 107,868 i 35,453 u.

Odp. 126,9 u

15. Głównym składnikiem kredy szkolnej jest węglan wapnia. Ta trudno rozpuszczalna w wodzie substancja powstaje w wyniku reakcji chlorku wapnia(II) - CaCl₂ z węglanem sodu - Na₂CO₃. Napisać zbilansowane równanie reakcji chemicznej i obliczyć:

1. Ile mililitrów roztworu chlorku wapnia o stężeniu 0,250 mol/dm³ potrzeba do przereagowania z 100 ml węglanu sodu o stężeniu 0,500 mol/dm³ ?

2. Ile gramów węglanu wapnia wytrąci się w tej reakcji jeśli sprawność reakcji wyniesie 95%?

Odp. a) 200 ml; b) 4,75 g

1

1

---