Chemia

Dr inż. Jerzy Gęga

Wydział Inżynierii Procesowej,

Materiałowej i Fizyki Stosowanej

Katedra Chemii, pok. 232

E-mail: [e-mail]

Chemia

1. Pojęcia wstępne

–

budowa atomu, izotopy,

rozmieszczenie elektronów, powłoki walencyjne,
liczba atomowa, l. masowa, masa atomowa, mol

2. Układ okresowy pierwiastków

– odkrycie

Mendelejewa, miejsce w układzie a struktura
elektronowa,

formy

układu,

nazewnictwo

pierwiastków, grupy (nazwy) i okresy w układzie

3. Układ okresowy pierwiastków

- położenie w

układzie a właściwości chemiczne i fizyczne
pierwiastków, okresowość właściwości.

4. Związki chemiczne

- najważniejsze typy wiązań:

atomowe,

kowalencyjne,

jonowe,

wodorowe.

Własności

wynikające

z

występowania

poszczególnych rodzajów wiązań

5. Stany skupienia materii

– gazowy, ciekły, stały.

Układy koloidalne, stan szklisty

6. Procesy

fizykochemiczne

–

rozpuszczanie,

krystalizacja,

adsorpcja,

substancje

powierzchniowo-czynne

7. Reakcje chemiczne

– procesy fizyczne i

chemiczne, zapis reakcji, rodzaje reakcji, prawo
zachowania masy, stechiometria

8. Szybkość reakcji

– definicja szybkości, wpływ

czynników zewnętrznych na szybkość, równanie
Arheniusa, energia aktywacja, kataliza, katalizatory

9. Stan równowagi w reakcji chemicznej

- prawo

działania mas, reguła przekory

10.Elektrochemia

– szereg napięciowy metali,

korozja materiałów budowlanych

11.Charakterystyka wybranych pierwiastków

–

niemetale: krzem (krzemiany), węgiel (węglany),
siarka (siarczany), tlen; metale: potasowce,
wapniowce, żelazo, miedź, cynk, glin (gliniany).

12.Chemia budowlanych materiałów wiążących

–

produkcja i właściwości cementu oraz ich
modyfikacja.

13.Chemia budowlanych materiałów wiążących

–

właściwości innych spoiw mineralnych.

14.Materiały ceramiczne.

Korozja materiałów

cementowych i ceramicznych.

15.Najważniejsze

tworzywa

sztuczne

–

właściwości i zastosowanie w budownictwie.

16.Materiały bitumiczne

i ich właściwości.

17.Ekologia w budownictwie

Literatura

 H.Bala, Chemia materiałów, Wyd. WIPMiFS, Częstochowa

2001

 H.Bala, Podstawy chemii materiałów, WNT, Warszawa 2003

 M.J.Sienko, R.A.Plane, Chemia. Podstawy i zastosowania,

WNT, Warszawa 1999

 A.Bielański, Chemia ogólna i nieorganiczna, PWN, Warszawa

2010

 J.D.Lee, Zwięzła chemia nieorganiczna, PWN, Warszawa 1997

 L.Czarnecki, T.Broniewski, O.Henning, Chemia w

budownictwie, Wyd. „Arkady”, Warszawa 2001

 J.Liwski, Chemia budowlana, PWN, Warszawa 1975

Kolokwium zaliczeniowe z wykładu
Kolokwium zaliczeniowe z ćwiczeń audytoryjnych

Rodzaje materii

Substancje chemiczne i ich właściwości

 Substancje proste

(

pierwiastki

, tzn. substancje

proste składające się z takich samych atomów)

 Substancje złożone

(

związki chemiczne

, składające

się z dwóch lub więcej różnych pierwiastków)

 
Każda substancja chemiczna charakteryzuje się ściśle
określonymi

i

w

danych

warunkach

stałymi

właściwościami fizycznymi i chemicznymi.

Właściwości fizyczne

: stan skupienia, barwa, gęstość,

przewodnictwo

cieplne

i

elektryczne,

rozpuszczalność, temperatura topnienia i wrzenia i
inne charakterystyczne tylko dla gazów, cieczy lub
ciał stałych.

Właściwości chemiczne

substancji: ujawniają się w

reakcjach chemicznych z jej udziałem

Zawartość procentowa pierwiastków

w skorupie ziemskiej

Spośród ponad 100 znanych pierwiastków 82 występują w
przyrodzie. Wszystkie najczęściej występujące pierwiastki są
wykorzystywane w budownictwie (ogółem w budownictwie jest
wykorzystywanych ok. 30 pierwiastków, w tym połowę stanowią
metale).

Trzy stany skupienia materii

Czym różnią się między sobą stany skupienia:

 Uporządkowaniem, odległościami między cząsteczkami

 Ruchem cząsteczek

 Rodzajem i siłą oddziaływań między cząsteczkami i

energii wewnętrznej

Ruch

Uporządkowanie

a) Molekuły w
gazach nie są
uporządkowane

b) W cieczach
istnieje pewne
uporządkowanie (w
bliskim otoczeniu)

d) Krystaliczne
ciała stałe
charakteryzują się
największym
stopniem
uporządkowania

c) Istnieją też
niekrystaliczne
(

amorficzne

)

ciała stałe, w
których istnieje
tylko
uporządkowanie
bliskiego zasięgu

Siły i energia wewnętrzna

 Siły przyciągania miedzy

cząsteczkami są
największe w ciałach
stałych, mniejsze w
cieczach i najmniejsze w
gazach

 Energia wewnętrzna

ciała stałego jest
najmniejsza. W
szczególności
krystaliczne ciała stałe
mają najmniejszą energię
wewnętrzną

Substancja chemiczna w danych warunkach

temperaturowych występuje w określonym stanie

skupienia

Ciało stałe

Ciecz

Gaz

Drobiny są ściśle
upakowane, nie
przemieszczają się
względem siebie,
tworzą tzw. sieć
krystaliczną, w
której są
rozmieszczone w
sposób
uporządkowany
 
Drobiny drgają
 
Ma określony
kształt i objętość

Drobiny

nie

zajmują

ściśle

określonych
pozycji
 
Drobiny stykają się
ze sobą mając
zdolność
przemieszczania
się
 
Ma

określoną

objętość
 

Przyjmuje

kształt

naczynia, w którym
się znajduje

Brak określonego
kształtu i
objętości
 
Drobiny są od
siebie oddalone, a
ich wzajemne
oddziaływanie
jest bardzo słabe
 
Drobiny znajdują
się w ciągłym
chaotycznym
ruchu
 
Można go sprężać
i rozprężać

Substancje i ich mieszaniny mogą ulegać zarówno

przemianom fizycznym

jak i

przemianom chemicznym

.

 
W

wyniku

przemian

fizycznych

zmieniają

się

właściwości fizyczne materiału czy substancji (stan
skupienia, kształt, objętość, gęstość), ale nie zmienia
się ich skład np. ogrzewanie lodu, parowanie wody.

W

wyniku

przemiany

chemicznej

następuje

przekształcenie jednych drobin w inne czyli powstają
nowe

substancje

o

odmiennych

właściwościach

fizycznych i chemicznych, co wiąże się ze zmianą
składu.
Przemiana chemiczna określana jest jako reakcja
chemiczna.

Substancje chemiczne i ich przemiany

 

Przemiany fizyczne związane ze zmianą stanu

skupienia substancji

Budowa atomu

Wybrane modele budowy atomu (schemat ideowy)

Budowa atomu

Najmniejszą częścią pierwiastka, zachowującą jego właściwości
chemiczne jest atom.
Współczesny stan wiedzy o budowie materii przyjmuje, że atom
zbudowany

jest

z

niezmiernie

małego

dodatnio

naładowanego jądra, oraz elektronów obdarzonych
ładunkiem

ujemnym,

poruszających

się

przestrzeni

otaczającej jądro.

Jądro zawiera dwa rodzaje
cząstek elementarnych:
dodatnio

naładowane

protony

i

elektrycznie

obojętne neutrony

Protony

i

neutrony

noszą wspólną nazwę
nukleonów

Ile atomów możemy rozmieścić wzdłuż
średnicy główki szpilki?

Główka szpilki ma średnicę około 1 x 10

-3

m (milimetr

długości)

Atom ma średnicę 2.5 x 10

-10

m, wtedy

(1 atom/2.5 x 10

-10

m) * (1 x 10

-3

m) = 4 x 10

6

atomów

Czyli cztery miliony atomów (4000000) można
rozmieścić wzdłuż średnicy główki szpilki!

Jeżeli ta sama główka szpilki będzie jądrem atomu, to
odpowiednio średnica atomu będzie miała wartość
10m (średnica jądra ma wymiar około 0,01% średnicy
atomu)

Lp
.

Nazwa

Symbol

Ładunek

Masa (g)

1.

Elektron

e

-

-1

9,109*10

-28

ok. 1800 razy mniejsza

od masy protonu

2.

Proton,

zbudowan
y z

kwarków

p

+1

1,673*10

-24

3.

Neutron,

zbudowan
y z

kwarków

n

0

1,675*10

-24

Właściwości cząstek elementarnych

Kwarki to obok leptonów (do których należy elektron)
cząstki elementarne budujące materię. Znanych jest sześć
rodzajów kwarków:

 Górny (up, u)

 Dolny (down, d)

 Dziwny (strange, s)

 Powabny (charm, c)

 Piękny (beautiful ,b) lub denny (bottom, b)

 Prawdziwy (truth, t) lub szczytowy (top, t)

Kwarki to cząstki obdarzone połówkowym spinem i
ułamkowym ładunkiem elektrycznym.
Kwarki: d,b,s -1/3; kwarki: u,c,t +2/3

Protony i neutrony zbudowane są z kwarków d (dolny-down) i
u (górny-up), które oddziałują ze sobą za pomocą
nienaładowanych cząstek zwanych gluonami.
Proton: 2u i 1d; neutron: 1u i 2d

Kwarki

Opis atomu pierwiastka

Pierwiastek chemiczny charakteryzowany jest przez jego
symbol X, liczbę atomową Z oraz liczbę masową A.

Symbole pierwiastków wywodzą się na ogół z nazw
łacińskich np.: hel - helium He, azot - nitrogenium N, tlen -
oxygenium O, sód – natrium Na, żelazo – ferrum Fe

Łączna liczba protonów i neutronów w jądrze (całkowita
liczba nukleonów w jądrze) nosi nazwę

liczby masowej (A).

Liczba atomowa (Z

)

określa liczbę protonów w jądrze

atomu. Ponieważ atom to układ elektrycznie obojętny,
liczba ta określa również liczbę elektronów.

X

A

masowa

liczba

Z

atomowa

liczba

Atomy różnych pierwiastków różnią się od siebie.
Zawierają różne ilości protonów w jądrze, a zatem
charakteryzowane są przez inną liczbą atomową

Mając podaną liczbę masową i liczbę atomową
możemy obliczyć liczbę neutronów jako
różnicę:

N = A - Z

Jądro atomu chloru zawiera 17 protonów i 35 -
17 = 18 neutronów.

Jądra atomów o takiej samej liczbie atomowej (Z) a różnej
liczbie masowej (A) to izotopy.

Wiele pierwiastków

występujących w przyrodzie posiada izotopy: wodór, węgiel,
azot, krzem, siarka, potas, wapń, ołów.

jądro atomu węgla

12

C - 6 protonów i 6 neutronów

jądro atomu węgla

14

C - 6 protonów i 8 neutronów (8=14-

6).

Te izotopy znane są jako

14

C "węgiel-14" i

12

C "węgiel-12".

Z ogólnej ilości izotopów węgla - węgla-12 jest najwięcej
(ok.99%).

Izotop

Promieniotwórczość naturalna

– samorzutny rozpad

jąder, połączony z emisją promieniowania.

Zjawisko to zostało odkryte przez Becquerela.

Energia wiązania

jądra – jest miarą trwałości jądra.

Im energia wiązania jest większa tym jądro jest

bardziej trwałe.

Defekt masy

– zjawisko polegające na tym, że

rzeczywista masa jądra jest mniejsza, niż wynika

to z obliczeń polegających na dodaniu do siebie

masy protonów i neutronów.

PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

PRZEMIANY JĄDROWE

Przemiany jądrowe:

 naturalne – zachodzące samorzutnie
- przemiany cząstkowe (-, α )
- przemiany elektromagnetyczne (wychwyt K,

przemiana ).

 sztuczne – wymuszone bombardowaniem jąder

atomowych neutronami, protonami albo cząstkami

α.

Przemiany jądrowe:

 naturalne – zachodzące samorzutnie
- przemiany cząstkowe (-, α )
- przemiany elektromagnetyczne (wychwyt K,

przemiana ).

 sztuczne – wymuszone bombardowaniem jąder

atomowych neutronami, protonami albo cząstkami

α.

lat

t

Th

U

4

2

/

1

4

2

234

90

238

92

10

5

,

4 









dni

t

Pa

Th

5

,

24

2

/

1

0

1

234

91

234

90











n

Ba

Kr

n

U

1

0

141

56

92

36

1

0

235

92

2









p

O

N

1

1

17

8

4

2

14

7









Przemiana -

- emisja elektronu. Powoduje wzrost o 1 liczby

atomowej Z. Liczba masowa A bez zmian.

Przemiana +

- emisja pozytonu (dodatniego elektronu).

Powoduje zmniejszenie o 1 liczby atomowej Z. Liczba
masowa A bez zmian.

Przemiana α

– emisja cząstki α, czyli jądra pierwiastka helu

He. Wskutek tej przemiany maleje o 2 liczba Z oraz
maleje o 4 liczba masowa A.

Wychwyt K

– polega na pobraniu przez jądro 1 elektronu z

powłoki, która jest najbliżej jądra (K). Powoduje zmniejszenie
o 1 liczby atomowej Z. Liczba masowa A nie ulega zmianie.

Przemiana 

- emisja nadmiaru energii w postaci promieniowania

elektromagnetycznego.

Reguła Fajansa i Soddy’ego:

Emisji cząstki α towarzyszy przesunięcie pierwiastka o 2

miejsca w lewo w układzie okresowym, emisji cząstki
+ towarzyszy przesunięcie o jedno miejsce w lewo, a
emisji cząstki - przesunięcie o jedno miejsce w prawo.

Okres półtrwania

(czas połowicznego zaniku,

T

1/2

) – czas, po którym polowa dowolnej próbki

izotopu ulega rozpadowi.

n

Ba

Kr

n

U

1

0

141

56

92

36

1

0

235

92

2









Elektrownia jądrowa