1

1

Podstawy chemii

• Wykład – 3 godz./tydzień
• Ćwiczenia 3 godz./tydzień – 3 PK
• Egzamin – 4 PK

• Chemia ma charakter przedmiotu selekcyjnego, co

oznacza, że jego zaliczenie warunkuje dalsze
studia.

• Jest też wiele kolejnych przedmiotów, do których

Podstawy chemii są niezbędne ...

2

Podstawy chemii (2)

• Wykładowca:

– Prof. dr hab. Stanisław Komornicki
– A-0, III p. 305, tel (12) (617) 24-88
– E-mail:

[e-mail]

– Strona www:

– http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~komornik/

• Do czego służą wykłady i jak się zdaje

egzamin ?

2

3

Podstawy chemii (3)

• Do czego służą wykłady i jak się zdaje

egzamin ?

• Program wykładów i ćwiczeń odpowiada

dokładnie zawartości egzaminu, a to, co jest
w podręcznikach niekoniecznie

• Egzamin jest pisemny

• żeby do niego przystąpić, trzeba zaliczyć

ć

wiczenia

• każdy ma prawo zdawać egzamin trzykrotnie

4

Najważniejsze podręczniki

* A.Bielański -

Chemia ogólna i nieorganiczna

* A.Bielański -

Podstawy chemii nieorganicznej

* F.A.Cotton, G. Wilkinson, P.L.Gaus -

Chemia

nieorganiczna. Podstawy.

* J.D.Lee -

Zwięzła chemia nieorganiczna

* P.A. Cox –

Chemia nieorganiczna. Krótkie wykłady

* dla bardziej ambitnych:

* R.G.Wells -

Strukturalna chemia nieorganiczna

* L. Jones, P. Atkins –

Chemia ogólna

* Wszelkie inne podręczniki mające w nazwie - chemia

ogólna lub chemia nieorganiczna

3

5

Chemia jest nauką przyrodniczą

• Definicja:

– chemia jest nauką, która zajmuje się składem, strukturą

i właściwościami substancji oraz reakcjami, w których
jedna substancja zmienia się w inną

• Zasady nowoczesnej chemii:

– poszukiwanie prawidłowości w zachowaniu się różnych

substancji

– poszukiwanie modeli, które tłumaczą obserwacje

– modele powinny tłumaczyć zachowanie innych

substancji i jeśli to możliwe obejmować relacje
ilościowe

– modele powinno dać się weryfikować doświadczalnie

6

Jednostki miar w układzie SI

Wielkość

Symbol

Jednostka

Masa

m

kg (g)

Długość

l

m

(powierzchnia

S

[

m

2

], objętość

V

[

m

3

])

Czas

t

s

Prąd elektryczny

I

A

Temperatura

T

K

Ilość materii

n

mol

Natężenie światła

I

v

cd

4

7

Inne jednostki (pochodne)

Energia

J

kg m

2

s

-2

Częstość

Hz

s

-1

Siła

N

kg m s

-2

Ciśnienie

Pa

kg m

-1

s

-2

Ładunek elektryczny

C

A s

Pojemność elektryczna

F

A

2

s

4

kg

-1

m

-2

Potencjał elektryczny

V

kg m

2

s

-3

A

-1

Opór elektryczny

Ώ

kg m

2

s

-3

A

-2

8

Przedrostki wielokrotności jednostek

• mniejsze

– m

- mili 10

-3

=0,001

– µ

- mikro 10

-6

– n

- nano 10

-9

– p

- piko 10

-12

– f

- femto 10

-15

• większe

– k

- kilo 10

3

=1000

– M

- mega 10

6

– G

- giga 10

9

– T

- tera 10

12

5

9

Materia jest zbudowana z atomów (1)

• Demokryt z Abdery (ok. 460 – ok. 370

p.n.e.

– natura jest ciągłym ruchem

materialnych, niepodzielnych
i wiecznych cząstek (atomów), których
połączenie daje w efekcie różnorodne
ciała; jako zwolennik determinizmu
uważał, że wszystko ma swoją przyczynę

10

Materia jest zbudowana z atomów (2)

• John Dalton (1803):

– materia składa się z niepodzielnych i

niezniszczalnych atomów;

– wszystkie atomy jednego pierwiastka są

identyczne;

– atomy różnych pierwiastków mają różne

masy i właściwości chemiczne;

– atomy nie mogą zostać stworzone lub

zniszczone. Jeśli związek ulega rozkładowi,
atomy pozostają niezmienione.

(1766 - 1844)

6

11

Atom jest podzielny

Składa się z cząstek elementarnych

MASA

ŁADUNEK

PROTON

r

r

r

r

1,66@10

-24

g

+ e

ELEKTRON

s

s

s

s

9,11@10

-29

g

- e

NEUTRON









1,66@10

-24

g

0

e = 1,602

@

10

-19

C

12

ATOM

~ 10

-10

m

Jądro =>

~ 10

-17

m

~ 10

-18

m

7

13

Oddziaływania w atomie

• Oddziaływania natury elektrostatycznej:

– proton

-

elektron

-

przyciąganie

– proton

-

proton

-

odpychanie

– elektron

-

elektron -

odpychanie

F ~

q q

r

1

2

2

⋅

Prawo Coulomba:

14

Identyczność atomów

• Atomy

tego samego pierwiastka

mają taką

samą liczbę protonów w jądrze;

– Jeśli różnią się liczbą neutronów, to mamy do

czynienia z

izotopami

tego samego pierwiastka;

– Jeśli suma ładunków elektrycznych protonów w

jądrze i elektronów „na zewnątrz” jest różna od
zera, to mamy do czynienia z

jonami

pochodzącymi od danego pierwiastka;

• Każdy pierwiastek ma przyporządkowany

odpowiedni 1-2 literowy symbol, związany
z jego łacińską nazwą

8

15

Pierwiastki i ich izotopy

X

³

symbol nuklidu

liczba masowa

(protony + neutrony)

º

A

liczba atomowa

º

Z

(protony)

Liczba neutronów =

A - Z

Przykład - siarka ma 4 różne izotopy:

S

S,

S,

S,

36
16

34
16

33

16

32
16

16

Jak określić masę atomów ? (1)

• Spektrometria (spektrografia) masowa pozwala

określić wzlędną masę atomów i cząsteczek
[J.J.Thompson (1907)]

Strumień

atomów

(cząstek)

Jonizacja

Elektromagnes

Strumień

zjonizowanych

cząstek

Detektor

9

17

Jak określić masę atomów ? (2)

• Jednostka masy atomowej (umowna!) :

C

12

6

1/12 masy izotopu

= 1 j.m.a. [u]

1 j.m.a. [u] = 1, 6605•10

-24

g

1 g = 6,02214 •10

23

u

Przykład:

Naturalny węgiel składa się z izotopów

(slady)

C

(1,08%),

C

(98,89%),

C

14

6

13

6

12

6

u

011

,

12

100

1,08

u

003

,

13

100

98,89

u

000

,

12

=













•

+













•

18

Jak określić ilość substancji ? (1)

• Umownie:

– 1 mol danej substancji zawiera dokładnie tyle

samo cząstek, ile zawiera

12 gramów

izotopu

węgla

12

C

– 1 atom węgla

12

C ma masę 12,000 u

– 1 mol węgla

12

C ma masę 12,000 g

– 1 mol węgla będący mieszaniną izotopów

12

C,

13

C i

14

C ma masę 12,011 g

• Masa mola (w gramach!) danej substancji

nosi nazwę masy molowej

10

19

Jak określić ilość substancji ? (2)

• Mole dwóch różnych substancji różnią się masą,

choć zawierają tyle samo atomów (cząsteczek)

• Masa 1 atomu Al = 26,982 u, jest on zatem 2,2485

razy cięższy niż 1 atom

12

C. Taka sama jest zatem

proporcja mas molowych: 12 g ·2,2485 = 26,892 g

• Jeśli podzielimy masę molową

12

C przez masę 1

atomu (w gramach), to otrzymamy liczbę atomów
w 1 molu (tak samo dla dowolnej substancji !!!)

A

23

23

24

N

10

02

,

6

10

0221367

,

6

g

10

1,6605

g

12,000

=

⋅

≈

⋅

=

⋅

−

20

Jak określić ilość substancji ? (3)

• Liczba N

A

nosi nazwę liczby Avogadro

• Możemy zatem - posługując się pojęciem

mola - łatwo dokonywać konwersji mas na
liczbę atomów i cząsteczek i odwrotnie:

Masa

substancji

Masa molowa

Liczba

moli

Liczba Avogadro

N

A

Liczba atomów

(cząsteczek)

Skala

makroskopowa

Skala

atomowa

11

21

Jak określić ilość substancji ? (4)

• Hipoteza Avogadro:

– W jednakowych objętościach

gazów znajdują się jednakowe
ilości cząsteczek

T

R

V

p

n

T

R

n

V

p

⋅

⋅

=

⋅

⋅

=

⋅

;

n - liczba moli gazu, V - objętość gazu, p - ciśnienie gazu
(1,013·10

5

Pa), R - stała gazowa (8,314 J·mol

-1

·K

-1

), T -

temperatura (298 K)

Objętość 1 mola gazu

w warunkach normalnych

wynosi 22,414 dm

3

(l)

22

Pierwiastki i związki chemiczne

• Pierwiastek składa się z atomów tego

samego rodzaju (tj. mających taką samą
ilość protonów w jądrze)

• Związek chemiczny składa się z różnego

rodzaju atomów połączonych ze sobą
wiązaniami chemicznymi

• Mieszanina składa się z pierwiastków lub

związków chemicznych, które nie są
połączone pomiędzy sobą wiązaniami
chemicznymi

12

23

Klasyfikacja materii

MATERIA

CZYSTE

SUBSTANCJE

MIESZANINY

PIERWIASTKI

ZWIĄZKI

CHEMICZNE

METALE

NIEMETALE

NIEORGANICZNE

ORGANICZNE

JEDNORODNE

NIEJEDNORODNE

ROZTWORY

ROZTWORY

KOLOIDALNE (ZOLE)

24

Przemiany (reakcje) chemiczne (1)

• Synteza:

A + B => AB

(A i B mogą być pierwiastkami lub

związkami chemicznymi)

• Analiza (rozkład):

AB => A + B

(A i B mogą być pierwiastkami lub

związkami chemicznymi)

• Wymiana:

AB + CD => AC + BD

(reakcja A + BC => AC + B jest przypadkiem

szczególnym)

13

25

Przemiany (reakcje) chemiczne (2)

Układanie równań chemicznych - podstawowe prawa

PRAWO ZACHOWANIA MASY:

substraty

produkty

masa substratów = masa produktów

reakcja



→



Antoine Lavoisier, 1785

Antoine Lavoisier

(1743 - 1791)

Joseph-Louis Proust

(1754 - 1826)

PRAWO STOSUNKÓW STAŁYCH:

Skład chemiczny danej substancji
(wzajemny stosunek liczby atomów =
wzajemny stosunek liczby moli) jest
zawsze taki sam, niezależnie od
sposobu jej otrzymania

26

Zasady uzgadniania równań reakcji chemicznych

Zapis reakcji chemicznej ma charakter równania

• Musi być spełnione

prawo zachowania masy

, to znaczy,

ż

e po obu stronach reakcji musi być taka sama liczba

atomów każdego rodzaju

• Musi być spełnione

prawo stałości składu (prawo

stosunków stałych)

, to znaczy, że każdy związek

chemiczny będzie mieć zawsze taki sam wzór,
niezależnie od sposobu, w jaki został utworzony

• Jeżeli w równaniu reakcji występują jony, to

sumaryczny ładunek elektryczny

jonów po prawej

stronie równania musi być taki sam jak po lewej

14

27

Co decyduje o właściwościach atomu ?

• masa (protony + neutrony + elektrony)

– prawie cała masa atomu skupiona jest w jądrze,

wkład elektronów jest niewielki

• ładunek jądra oraz liczba elektronów

– wzajemne oddziaływania o charakterze

elektrostatycznym

•

ułożenie elektronów (konfiguracja)

– istotne dla właściwości chemicznych są

zwłaszcza elektrony położone daleko od jądra