Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
I. WST
PNE POJ
CIA CHEMICZNE
1. Chemia jako dziedzina nauki
MATEMATYKA
FIZYKA
CHEMIA
ORGANICZNA NIEORGANICZNA FIZYCZNA ANALITYCZNA BIOCHEMIA
FARMACJA
ASTRONOMIA GEOLOGIA METEOROLOGIA BIOLOGIA INśYNIERIA
BOTANIKA ZOOLOGIA
MIKROBIOLOGIA
MEDYCYNA
1 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Chemia jest naukÄ… zajmujÄ…cÄ… siÄ™:
- badaniem budowy
- właściwościami materii
- przemianami
Materia to cały makrokosmos, na którego budowę
składają się wszelkie ciała "mikrokosmosu" jak cząstki
elementarne, ró\
ne rodzaje promieniowania, itp.
Materia składa się z:
- substancji prostych czyli pierwiastków chemicznych
(np. wodór, siarka, złoto),
- substancji zło\
onych czyli związków chemicznych
(np. sól kuchenna, gips),
- mieszanin dwu lub więcej substancji prostych lub
zło\
onych (np. powietrze, skały, węgiel kopalny,
cement).
2 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
2. Elektronowa budowa atomu
Atom jest zbudowany z:
- jÄ…dra atomowego,
- chmury elektronowej.
Średnice atomów pierwiastków 37 - 133 pm
Średnica jąder atomów 1 - 7 fm
Gęstość materii w jądrze ~ 1017 kg/m3
Jądra składają się z :
- protonów (cząstki dodatnie)
nukleony
- neutronów (cząstki obojętne)
Chmura elektronowa: elektrony
3 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
3. Masa atomowa
Masy atomów, cząsteczek i cząstek (mikrokosmos)
wyra\
a siÄ™ za pomocÄ… atomowej jednostki masy:
1 u = 1,661Å"
Å"10-27 kg
Å"
Å"
ATOMOWA JEDNOSTKA MASY (u) jest równa
1
/12 masy atomu nuklidu węgla 12C.
6
JEST TO JEDNOSTKA SKALI ATOMOWEJ
czÄ…steczki chemiczne to elementy materii: atomy, czÄ…steczki, jony,
rodniki, pary jonowe. Inna nazwa czÄ…stki to indywiduum chemiczne.
CzÄ…stki A
adunek
Masa (g) Masa (u) Symbol
podstawowe elektryczny
Å"10-28 0,00054857
elektron 9,1093897Å" -1 E
Å"
Å"
Å"10-24 1,007272
proton 1,672649 Å" +1 p
Å"
Å"
Å"10-24 1,008665
neutron 1,674954 Å" 0 n
Å"
Å"
4 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Model standardowy (opis uproszczony):
- pierwotnymi składnikami materii są kwarki
i leptony,
patrz: fizyka jÄ…drowa.
Nuklid to zbiór atomów o jednakowym składzie
jądra. Nuklidy opisuje się ogólnie:
A - liczba masowa,
A
Z - liczba atomowa,
X
Z
X - symbol pierwiastka
LICZBA MASOWA (A) jest równa liczbie
protonów i neutronów w jądrze.
LICZBA ATOMOWA (Z) jest równa liczbie
protonów w jądrze.
5 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Przykłady nuklidów: 1H, 60Co, 137Cs
1 27 55
Inny (uproszczony) zapis: 1H, 60Co, 137Cs
Jeszcze inny zapis nuklidów: H-1, Co-60, Cs-137.
Nuklidy tego samego pierwiastka nazywajÄ… siÄ™
izotopami. Izotopy danego pierwiastka ró\
niÄ… siÄ™ liczbÄ…
neutronów w jądrze.
Np. nuklidy wodoru: 1H, 2H, 3H sÄ… to 3 znane izotopy
1 1 1
wodoru.
W przypadku izotopów wodoru mamy odpowiednio
0, 1 i 2 neutrony w jÄ…drze.
Izotopy mogą być:
- trwałe,
- nietrwałe, czyli promieniotwórcze.
6 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
* Po 1 izotopie trwałym posiadają m.in.: F, P, Sc, Mn,
As, I, Cs, Au, Bi
* Najwięcej izotopów trwałych (10) posiada cyna
* Brak trwałych izotopów pierwiastków
występujących w przyrodzie: cię\
kie pierwiastki
o 84 < Z < 92. SÄ… to naturalne pierwiastki
promieniotwórcze.
7 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Skład izotopowy dla wybranych pierwiastków
Liczba Symbol Liczby masowe izotopów (w nawiasach podano
atomowa zawartość w procentach masowych)
1 H 1(99,985), 2(0,015)
2 He 4(99,99987), 3(0,00013)
4 Be 9(100), 10(0,0002)
6 C 12(98,89), 13(1,11)
19 K 39(93,2), 41(6,8), 40*(0,0119)
50 Sn 112(1,02), 114(0,69), 115(0,38), 116(14,3),
117(7,6) 118(24,1), 119(8,5), 120(32,5),
122(4,8), 124(6,1)
53 I 127(100)
55 Cs 133(100)
57 La 138(0,089), 139(0,097), 134(2,42), 135(6,6),
136(7,8) 137(11,3), 138(71,7)
75 Re 185(37,1), 187*(62,9)
79 Au 197(100)
83 Bi 209(100)
*
Nuklidy nietrwałe wykazujące bardzo długi okres półtrwania
i z tego powodu zwyczajowo uwzględniane są przy określaniu
składu izotopowego pierwiastków.
8 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
MasÄ… atomowÄ… nazywamy masÄ™ atomu pierwiastka
wyra\
onÄ… w atomowych jednostkach masy.
Jak siÄ™ ma masa atomowa pierwiastka do mas
izotopowych poszczególnych izotopów tego
pierwiastka?
Pierwiastek występujący w przyrodzie jest
w większości przypadków mieszaniną izotopów.
Masę atomową pierwiastka obliczamy jako średnią
wa\
onÄ… z mas izotopowych naturalnej mieszaniny
izotopów.
Przykład - węgiel:
12
C 98,89 % 12,000000 u
13
C 1,11 % 13,003355 u
masa atomowa węgla:
(98,89 Å" Å" 13,003355) / 100 = 12,011 u
Å" 12,000000 + 1,11 Å"
Å" Å"
Å" Å"
9 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
MasÄ… czÄ…steczkowÄ… nazywamy masÄ™ czÄ…steczki
pierwiastka lub zwiÄ…zku chemicznego wyra\
onÄ…
w atomowych jednostkach masy. MasÄ™ czÄ…steczkowÄ…
obliczamy sumując masy atomowe wszystkich atomów
wchodzących w skład cząsteczki.
W chemii u\
ywamy te\
tzw. względnej masy
atomowej (czÄ…steczkowej).
Względna masa atomowa (cząsteczkowa) jest to
stosunek masy atomu danego pierwiastka (czÄ…steczki
danego pierwiastka lub zwiÄ…zku chemicznego) do 1/12
masy atomu nuklidu C-12. Jest to wielkość
bezwymiarowa.
Określ masę atomową następujących cząsteczek:
03, H2SO4, CH4 i C2H5OH.
10 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
4. Mol
Jakie jest przejście pomiędzy makro-
i mikrokosmosem?
To przejście umo\
liwia wielkość zwana licznością.
Jest to wielkość tego samego rodzaju co tuzin
(12 sztuk) czy kopa (60 sztuk)!
Jednostką liczności jest mol.
1 MOL zawiera liczbÄ™ czÄ…stek
(cząsteczek, atomów czy jonów) równą
liczbie atomów zawartych w 12 gramach
nuklidu węgla C-12
Liczba czÄ…stek chemicznych zawartych w 1 molu jest
nazywana LICZB
AVOGADRO i wynosi 6,022045 Å"
Å"1023
Å"
Å"
11 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
WIELKOÅšCI PODSTAWOWE UKA
ADU SI* i ich jednostki:
Zalecane
Jednostki Oznaczenia
Wielkości oznaczenia
jednostek
wielkości
długość l metr m
masa m kilogram kg
czas t sekunda s
natÄ™\
enie prÄ…du elekt. I amper A
temperatura T kelvin K
światłość I kandela cd
liczność n mol mol
*
Międzynarodowy Układ Jednostek Miar zatwierdzony
w 1960 r. (w Polsce od 1966 r.). Skrót pochodzi
z j. franc. Systeme International d Unites
12 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Masa molowa jest to masa 1 mola wyra\
ona
w g/mol.
Zale\
ność masy atomowej, masy molowej
i względnej masy atomowej np. dla wodoru:
1,0079 u 1,0079
1,0079 g/mol


Jak obliczyć masę 1 atomu wodoru ?
masa 1 atomu wodoru =
= (1,0079 g/mol) / 6,022Å" Å"10- 27 kg.
Å"1023 /mol = 1,6736Å"
Å" Å"
Å" Å"
Jaka jest objętość 1 mola pierwiastka lub związku
chemicznego w stanie gazowym?
W warunkach normalnych, tj. w 273,15 K (0 0C) i pod
ciÅ›nieniem 1,10035Å"
Å"105 Pa (1 atm),
Å"
Å"
objętość ta wynosi: 22,41 dm3/mol.
13 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Zadanie - definicja mola:
Obliczyć liczbę atomów miedzi znajdującej się w płytce
tego metalu o gruboÅ›ci 1 µ
µm i powierzchni 1 mm2
µ
µ
RozwiÄ…zanie:
Gęstość miedzi: d = 8,92 kg/dm3
Objętość płytki:
V = 1Å" Å" (1Å" Å"10-12 m3 = 1Å"
Å"10- 6 m Å" Å"10- 3)2 m2 = 1Å" Å"10- 9 dm3
Å" Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å" Å"
Masa płytki:
m = d Å" Å" 1Å" Å"10- 6 g
Å" V = 8,92 kg/dm3 Å" Å"10- 9 dm3 = 8,92Å"
Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å"
1 mol - 63,55 g
x - 8,92Å"
Å"10- 6g
Å"
Å"
8,92 Å" 10-6
Å"
Å"
Å"
-
-
-
x = Å"
= 1,40 Å"
Å"10-7 mola
Å"
63,55
1 mol - 6,022Å"
Å"1023 atomów
Å"
Å"
1,40Å"
Å"10- 7 mola - y
Å"
Å"
y = 6,022Å" Å" 1,40Å" Å"1016 atomów
Å"1023 Å" Å"10-7 = 8,43Å"
Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å"
14 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
5. Trwałość jądra
Miarą trwałości jądra jest wartość energii
wydzielonej podczas jego hipotetycznej
syntezy z protonów i neutronów
Rozpatrzmy atom izotopu berylu 9Be:
4
4 protony 4 x 1,0073 u = 4,0292 u
5 neutronów 5 x 1,0087 u = 5,0435 u
4 elektrony 4 x 0,0005 u = 0,0020 u
9,0747 u
9
Faktyczna masa izotopu Be wynosi 9,0122 u
4
Ubytek masy (defekt masy) "
"m = 0,0625 u
"
"
Odpowiada to energii (E = mc2) = 9,31Å"
Å"10-12 J
Å"
Å"
15 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
-
-
-
9,31Å"10-12J
Å"
Å"
Å"
-
-
-
= 1,034 Å"10-12J = 6,48 MeV
= Å" =
= Å" =
= Å" =
Na 1 nukleon:
9
Na 1 mol: 1,034Å" Å" 6,022Å" Å"1011 J
Å"10-12J Å" Å"1023 = 6,22Å"
Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å"
Energia jÄ…drowa ~ 6Å"
Å"1011 J/mol
Å"
Å"
Energia chemiczna ~ 105 J/mol
Energia jÄ…drowa >> Energia chemiczna
Max. dla 60Ni (8,75 MeV)
E
8
Ä™!
6
4
2
60 100 200
Energia wiązania nuklidów przypadająca na 1 nukleon w zale\
ności od liczby masowej (A)
16 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak  PCHN_SKP
Siły jądrowe są zupełnie innego rodzaju ni\
siły
grawitacyjne czy te\
siły elektrostatyczne.
JÄ…dra lekkie synteza jÄ…drowa energia



termojÄ…drowa
JÄ…dra ciÄ™\
kie reakcje rozszczepienia jÄ…der



energia jÄ…drowa
Zagadnienia pominięte w tym wykładzie: siły jądrowe,
model standardowy budowy materii, uło\
enie
elektronów w atomie (będzie omówione w innym
rozdziale).
Koniec rozdziału I-go.
17 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne