PODSTAWY CHEMII

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA

Wykład 1

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

2

PODSTAWY CHEMII

‡

Wykładowca

Dr hab. inż. Marta Radecka

„

A-0, III p. 304, tel (12) (617) 25-26

„

E-mail:

[e-mail]

„

Strona www:

http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

3

Plan

‡

Zaliczenie i egzamin…

‡

Trochę historii z chemii

‡

Podstawowe prawa

‡

Związki chemii nieorganicznej

‡

Układ jednostek

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

4

PODSTAWY CHEMII

‡

Do czego służą wykłady i jak się zdaje

egzamin ?

‡

Program wykładów i laboratorium

odpowiada dokładnie zawartości

egzaminu, a to, co jest w podręcznikach

niekoniecznie

‡

Egzamin jest pisemny

•

żeby do niego przystąpić, trzeba zaliczyć

laboratorium

•

każdy ma prawo zdawać egzamin trzykrotnie

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

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

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

6

Początki chemii (trochę historii)

‡

Demokryt z Abdery (ok. 460 – ok. 370p.n.e)

‡

Alchemicy

„

Wierzyli w idee, że tanie metale można przeprowadzić w

złoto

„

Odkryli wiele pierwiastków oraz wiedzieli jak produkować

kwasy mineralne

‡

R.Boyle

„

Pierwszy „chemik”, który przeprowadzał ilościowe

eksperymenty (opisał ilościowo zachowanie gazów)

„

Eksperymentalnie zdefiniował substancje jako powstające z

elementów, które nie mogą być rozłożone na 2 lub więcej

prostszych

Naturę widział jako ” Ciągły ruch małych,

materialnych, niepodzielnych i wiecznych cząstek,

które nazwał atomami (od 'atomos‘-niepodzielny').

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

7

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.

Materia jest zbudowana z atomów (2)

(1766 - 1844)

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

8

Atom jest podzielny

Masa

Ładunek

proton

1.66·10

-24

g

+e

neutron

1.66·10

-24

g

0

elektron

9.11·10

-29

g

-e

Porozmawiamy o atomie jeszcze!

Przestrzeń zajęta

przez elektrony

10

-10

m

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

9

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

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

10

H,

H,

H,

3

1

2

1

1
1

Pierwiastki i ich izotopy

X

Liczba masowa

A

(protony + neutrony)

Liczba atomowa

Z

(protony)

Liczba neutronów=

A –Z

Izotopy: takie samo Z, różne A

Przykład:
Wodór ma 3 izotopy

proton
neutron

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

11

Jak określić masę atomów ?

‡

Spektrometria (spektrografia) masowa pozwala

określić wzlędną masę atomów i cząsteczek

[J.J.Thompson (1907)]

‡

Jednostka masy atomowej (

umowna!

) :

1 j.m.a. [u] = 1, 6605•10

-24

g

1 g = 6,02214 •10

23

u

C

12

6

1/12 masy izotopu

= 1 j.m.a. [u]

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

12

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

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

13

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

=

⋅

≈

⋅

=

⋅

−

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

14

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

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

15

Jak określić ilość substancji ? (4)

T

R

V

p

n

T

R

n

V

p

⋅

⋅

=

⋅

⋅

=

⋅

;

‡

Hipoteza Avogadro:

W jednakowych objętościach gazów

znajdują się jednakowe ilości cząsteczek

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)

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

16

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

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

17

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

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

18

‡

Musi być spełnione

prawo zachowania masy

, to

znaczy, że 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

Zasady uzgadniania równań reakcji chemicznych

Zapis reakcji chemicznej ma charakter równania

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

19

Sposób zapisywania wzorów chemicznych

)

m(

n

A

Z

X

+

liczba masowa

liczba atomów
w cząsteczce związku

liczba atomowa

ładunek jonu

Wzór chemiczny substancji jest zawsze taki sam. W każdej

cząsteczce wody na 1 atom tlenu przypadają 2 atomy wodoru

(H

2

O). W każdym molu wody na N

A

atomów tlenu przypada 2· N

A

atomów wodoru. Wzór cząsteczki i skład mola nie zależy od

sposobu otrzymywania.

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

20

Podział związków nieorganicznych (1)

‡

Związki pierwiastków z tlenem

„

Tlenki metali

- Me

n

O

m

, np. MgO, Fe

2

O

3

, WO

3

....

„

Tlenki niemetali

- X

n

O

m

, np. CO, CO

2

, SO

3

, P

4

O

10

„

Połączenie z fluorem OF

2

(fluorek tlenu)

‡

Wodorotlenki metali

- składają się z metalu i grup

wodorotlenowych OH (wodne roztwory wodorotlenków =

zasady

)

„

Wzór ogólny wodorotlenków Me(OH)

m

, np. NaOH, Ca(OH)

2

,

Al(OH)

3

, Fe(OH)

3

‡

Kwasy

- związki niemetali z wodorem lub z tlenem i

wodorem - składają się z wodoru i reszty kwasowej

(złożonej z niemetalu lub niemetalu i tlenu)

„

Wzór ogólny kwasów beztlenowych

- H

n

X, np. HCl, HF, H

2

S,

„

Wzór ogólny kwasów tlenowych

- H

n

X

m

O

y

, np. HNO

3

, H

3

PO

4

,

H

2

SO

4

, H

3

PO

4

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

21

Podział związków nieorganicznych (2)

‡

Sole

- grupa związków nieorganicznych

pochodzących od kwasów i zasad:

„

Sole kwasów beztlenowych

: NaCl, CaF

2

, K

2

S, ....

„

Sole kwasów tlenowych

: Na

2

SO

4

, KNO

3

,

Ca

3

(PO

4

)

2

....

„

Sole obojętne

: Na

2

CO

3

, K

3

PO

4

, AlCl

3

....

„

Wodorosole

: NaHCO

3

, K

2

HPO

4

, KH

2

PO

4

.....

„

Wodorotlenosole

: Al(OH)Cl

2

, Al(OH)

2

Cl .....

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

22

Otrzymywanie tlenków

2

2

3

2

2

SO

O

S

O

Al

3O

4Al

⎯→

⎯

+

⎯→

⎯

+

Fe

O

Al

2Al

O

Fe

3

2

3

2

+

⎯→

⎯

+

Reakcja metali i niemetali z tlenem:

Reakcja wymiany:

Rozkład soli, kwasów, wodorotlenków:

O

3H

O

Fe

2Fe(OH)

CO

O

H

CO

H

CO

CaO

CaCO

2

3

2

3

2

2

3

2

2

3

+

⎯→

⎯

+

⎯→

⎯

+

⎯→

⎯

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

23

Otrzymywanie kwasów i wodorotlenków

3NaCl

Fe(OH)

3NaOH

FeCl

:

nkiem

wodorotle

z

soli

reakcja

Ca(OH)

O

H

CaO

:

wodą

z

metalu

tlenku

reakcja

H

NaOH

O

H

Na

:

wodą

z

metalu

reakcja

PO

2H

3CaSO

SO

3H

)

(PO

Ca

:

solą

z

kwasu

reakcja

SO

H

O

H

SO

:

wodą

z

metalu

tlenku

reakcja

2HCl

Cl

H

:

wodorem

z

niemetalu

reakcja

3

3

2

2

2

2

1

2

4

3

4

4

2

2

4

3

4

2

2

3

2

2

+

↓

→

+

→

+

↑

+

→

+

+

→

+

→

+

→

+

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

24

Otrzymywanie soli (niektóre reakcje)

↓

+

→

+

+

→

+

+

→

+

+

→

+

+

+

→

+

+

↑

+

→

+

+

→

+

+

3

3

4

3

4

4

2

2

4

3

2

2

4

3

2

2

4

4

2

3

2

2

3

Fe(OH)

3NaCl

3NaOH

FeCl

PO

2H

3CaSO

SO

3H

)

(PO

Ca

:

wymiany

reakcja

O

H

MgCl

2HCl

MgO

:

kwas

metalu

tlenek

CaSO

SO

CaO

:

niemetalu

tlenek

metalu

tlenek

O

H

NaCl

HCl

NaOH

:

kwas

ek

wodorotlen

H

ZnSO

SO

H

Zn

:

kwas

metal

FeCl

Cl

Fe

:

niemetal

metal

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

25

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

Układ SI (

franc.

Système International d'Unités) -

Międzynarodowy Układ Jednostek Miar

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

26

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

Ω

kg m

2

s

-3

A

-2

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

27

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

2006-12-13

Inżynieria Biomedyczna, I rok

28

Temperatura-przeliczanie

Rodzaje skali

‡

Fahrenheita

‡

Rankina (absolutna w oparciu o

o

F)

‡

Celsiusa

‡

Kelvina (absolutna w oparciu o

o

C)

C = 100/180 * (F - 32)

F = (180/100)*C + 32

K = C + 273.15

- 40

o

F = - 40

o

C

Temperatura

wrzenia wody

Temperatura

pokojowa

Temperatura

krzepnięcia

wody