PODSTAWY CHEMII
INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
Wykład 1
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:
radecka@uci.agh.edu.pl
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 (
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
