1. WSTĘPNE POJĘCIA CHEMICZNE

1. Chemia jako dziedzina nauki

Chemia jest nauką zajmującą się:

• 
  badaniem budowy

• właściwościami materii

• przemianami

Materia to cały makrokosmos, na którego budowę składają się wszelkie ciała "mikrokosmosu" jak cząstki elementarne, różne rodzaje promieniowania, itp.

Materia składa się z:

- substancji prostych czyli pierwiastków chemicznych (np. wodór, siarka, złoto),

- substancji złożonych czyli związków chemicznych

(np. sól kuchenna, gips),

- mieszanin dwu lub więcej substancji prostych lub

złożonych (np. powietrze, skały, węgiel kopalny,

cement).

2. Budowa atomu

Atom jest zbudowany z:

- jądra atomowego,

- chmury elektronowej.

Średnice atomów pierwiastków 37 - 133 pm

Średnica jąder atmów 1 - 7 fm

Gęstość materii w jądrze ~ 10¹⁷ kg/m³

Jądra składają się z :

- protonów (cząstki dodatnie)

- neutronów (cząstki obojętne)

Chmura elektronowa: elektrony

3. Masa atomowa

Masy atomów i cząstek (mikrokosmos) wyraża się za pomocą atomowej jednostki masy:

1 u = 1,661⋅10^-27 kg
ATOMOWA JEDNOSTKA MASY (u) jest równa ^1/12 masy atomu nuklidu węgla ^126C JEST TO JEDNOSTKA SKALI ATOMOWEJ
Cząstki podstawowe		Masa (g)	Masa (u)		Ładunek elektryczny		Symbol
elektron proton neutron		9,1093897⋅10^-28 1,672649 ⋅10^-24 1,674954 ⋅10^-24	0,00054857 1,007272 1,008665		-1 +1 0		e p n

Model standardowy (opis uproszczony):

• pierwotnymi składnikami materii są kwarki i leptony;

patrz: fizyka jądrowa.

Nuklid to zbiór atomów o jednakowym składzie jądra. Nuklidy opisuje się ogólnie:

A - liczba masowa, Z - liczba atomowa, X - symbol pierwiastka

LICZBA MASOWA (A) jest równa liczbie protonów i neutronów w jądrze. LICZBA ATOMOWA (Z) jest równa liczbie protonów w jądrze.

Przykłady nuklidów:

Inny (uproszczony) zapis: ¹H, ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs,

Jeszcze inny zapis nuklidów: H-1, Co-60, Cs-137.

A - liczba masowa,

Z - liczba atomowa,

X - symbol pierwiastka

Nuklidy tego samego pierwiastka nazywają się izotopami. Izotopy danego pierwiastka różnią się liczbą neutronów w jądrze.

Np. nuklidy wodoru: są to 3 znane izotopy wodoru.

W przypadku izotopów wodoru mamy odpowiednio 0, 1 i 2 neutrony w jądrze.

Izotopy mogą być:

• trwałe

• nietrwałe, czyli promieniotwórcze.

* Po 1 izotopie trwałym posiadają: F, P, Sc, Mn, As, Y, Nb, I, Cs, Au, Bi

* Najwięcej izotopów trwałych posiada cyna (10)

* Brak trwałych izotopów dla pierwiastków

występujących w przyrodzie:

- ciężkie pierwiastki o 84 < Z < 92

Skład izotopowy dla wybranych pierwiastków

Liczba atomowa	Symbol	Liczby masowe izotopów (w nawiasach podano zawartość w procentach masowych)
1 2 4 6 19 50 53 55 57 75 79 83	H He Be C K Sn I Cs La Re Au Bi	1(99,985), 2(0,015) 4(99,99987), 3(0,00013) 9(100), 10(0,0002) 12(98,89), 13(1,11) 39(93,2), 41(6,8), 40^*(0,0119) 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) 127(100) 133(100) 138(0,089), 139(0,097), 134(2,42), 135(6,6), 136(7,8) 137(11,3), 138(71,7) 185(37,1), 187^*(62,9) 197(100) 209(100)

^*Nuklidy nietrwałe wykazujące bardzo długi okres półtrwania i z tego powodu zwyczajowo uwzględniane przy określaniu składu izotopowego pierwiastków.

Masą atomową nazywamy masę atomu pierwiastka wyrażoną w atomowych jednostkach masy.

Jak się 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 ważoną z mas izotopowych naturalnej mieszaniny izotopów.

Przykład - węgiel:

¹²C 98,89 % 12,000000 u

¹³C 1,11 % 13,003355 u

masa atomowa węgla:

(98,89 ⋅ 12,000000 + 1,11 ⋅ 13,003355) / 100 = 12,011 u

Masą cząsteczkową nazywamy masę cząsteczki pierwiastka lub związku chemicznego wyrażoną w atomowych jednostkach masy. Masę cząsteczkową obliczamy sumując masy atomowe wszystkich atomów wchodzących w skład cząsteczki.

W chemii używamy też tzw. względnej masy atomowej (cząsteczkowej).

Względna masa atomowa (cząsteczkowa) jest to stosunek masy atomu danego pierwiastka (cząsteczki danego pierwiastka lub związku chemicznego) do ¹/₁₂ masy atomu nuklidu C-12. Jest to wielkość bezwymiarowa.

4. Mol

Jakie jest przejście pomiędzy makro-

i mikrokosmosem?

To przejście umożliwia wielkość zwana licznością.

Jest to wielkość tego samego rodzaju co tuzin (12 sztuk) czy kopa (60 sztuk) !

Jednostką liczności jest mol.

1 MOL zawiera liczbę cząstek (cząsteczek, atomów czy jonów) równą liczbie atomów zawartych w 12 gramach nuklidu węgla C-12

Liczba cząstek chemicznych^* zawartych w 1 molu jest nazywana LICZBĄ AVOGADRO i wynosi 6,022045 ⋅10²³

*cząstki chemiczne to elementy struktury materii: atomy, cząsteczki, jony, rodniki, pary jonowe. Inna nazwa cząstki to indywiduum chemiczne.

WIELKOŚCI PODSTAWOWE UKŁADU SI^* i ich jednostki:

Wielkości	Zalecane oznaczenia wielkości	Jednostki	Oznaczenia jednostek
długość masa czas natężenie prądu elekt. temperatura światłość liczność	l m t I T I n	metr kilogram sekunda amper kelvin kandela mol	m kg s A K cd mol

^* Międzynarodowy Układ Jednostek Miar zatwierdzony w 1960 r. (w Polsce od 1966 r.). Skrót pochodzi z j. franc. Systeme International d^'Unites

Masa molowa jest to masa 1 mola wyrażona w g/mol.

Zależność masy atomowej, masy molowej i względnej masy atomowej np. dla wodoru:

1,0079 u → 1,0079 g/mol → 1,0079

Jak obliczyć masę 1 atomu wodoru ?

masa 1 atomu wodoru =

= (1,0079 g/mol) / 6,022⋅10²³ /mol = 1,6736⋅10^{- 27} kg.

Jaka jest objętość 1 mola pierwiastka lub związku chemicznego w stanie gazowym?

W warunkach normalnych, tj. w 273,15 K (0 ⁰ C) i pod ciśnieniem 1,10035⋅10⁵ Pa (1 atm),

objętość ta wynosi: 22,41 dm³/mol.

Zadanie - definicja mola:

Obliczyć liczbę atomów miedzi znajdującej się w płytce tego metalu o grubości 1 μm i powierzchni 1 mm²

Rozwiązanie:

Gęstość miedzi: d = 8,92 kg/dm³

Objętość płytki:

V = 1⋅10^{- 6} m ⋅ (1⋅10^{- 3})² m² = 1⋅10^-12 m³ = 1⋅10^{- 9} dm³

Masa płytki:

m = d ⋅ V = 8,92 kg/dm³ ⋅ 1⋅10^{- 9} dm³ = 8,92⋅10^{- 6} g

1 mol - 63,55 g

x - 8,92⋅10^{- 6}g

1 mol - 6,022⋅10²³ atomów

1,40⋅10^{- 7} mola - y

y = 6,022⋅10²³ ⋅ 1,40⋅10^-7 = 8,43⋅10¹⁶ atomów

5. Trwałość jądra

Miarą trwałości jądra jest wartość energii wydzielonej podczas jego hipotetycznej syntezy z protonów i neutronów

Rozpatrzmy atom izotopu berylu
:

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

Faktyczna masa izotopu
wynosi 9,0122 u

Ubytek masy (defekt masy) Δm = 0,0625 u

Odpowiada to energii ( E = mc² ):

0,0625 u ⋅ 1,49⋅10^-10 J/u = 9,31⋅10^-12 J

Na 1 nukleon:

Na 1 mol: 1,034⋅10^-12J ⋅ 6,022⋅10²³ = 6,22⋅10¹¹ J/mol

Energia jądrowa ~ 6⋅10¹¹ J/mol

Energia chemiczna ~ 10⁵ J/mol

Energia jądrowa >> Energia chemiczna

Siły jądrowe są zupełnie innego rodzaju niż siły grawitacyjne czy też siły elektrostatyczne.

Jądra lekkie → synteza jądrowa → energia termojądrowa

Jądra ciężkie → reakcje rozszczepienia jąder → energia jądrowa

Koniec rozdziału I-go.

Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w

2 / 17

Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne

nukleony

60 100 200 liczba masowa

8

6

4

2

MEDYCYNA

MIKROBIOLOGIA

BOTANIKA ZOOLOGIA

ASTRONOMIA GEOLOGIA METEOROLOGIA BIOLOGIA INŻYNIERIA

FARMACJA

ORGANICZNA NIEORGANICZNA FIZYCZNA ANALITYCZNA BIOCHEMIA

CHEMIA

FIZYKA

MATEMATYKA

Max. dla ⁶⁰Ni (8,75 MeV)

Energia wiązania nuklidów przypadająca na 1 nukleon w zależności od liczby masowej (A)

E

↑

---