Podstawowe prawa

chemiczne

1

Chemia nowożytna jest nauką:

•o substancjach, ich właściwościach, oraz
przemianach fizycznych i chemicznych jakim te
substancje ulegają
•o warunkach wpływających na kierunek,
szybkość i zasięg tych przemian
•o efektach energetycznych przemian
•o stosunkach ilościowych mas substancji
biorących w nich udział

Chemia jest nauką teoretyczną i doświadczalną.

Wyniki badań stanowią podstawę do uogólnień w postaci
wzorów matematycznych, praw i teorii, wykorzystywanych
następnie w  procesach przekształcania substancji.

Badania chemiczne polegają na obserwacji procesów
zachodzących samorzutnie w przyrodzie oraz procesów
prowadzonych w ściśle kontrolowanych warunkach

1650 Anglia

wyjaśnienie

prawa

gazowego

przez

założenie,

że gaz składa się z cząstek

Robert BOYLE

1627 - 1691

lub

pV = const (gdy T = const)

Edme Mariotte
1676 (Francja)

"W stałej temperaturze objętość V
danej masy gazu jest odwrotnie
proporcjonalna do jego ciśnienia p."

Prawo Boyle-Marriotte’a

p

V

1

~

4

p

V

1

~

Masa gazu i temperatura = const

Masa gazu

Ciśnienie

Prawo Boyle-Marriotte’a

5

Jeżeli ciśnienie gazu jest wynikiem zderzeń
cząstek ze ścianami naczynia, to zmniejszając
np. dwukrotnie objętość naczynia - zwiększymy
dwukrotnie liczbę zderzeń, czyli dwukrotnie
zwiększymy ciśnienie.

Jeżeli ciśnienie gazu jest wynikiem zderzeń
cząstek ze ścianami naczynia, to zmniejszając
np. dwukrotnie objętość naczynia - zwiększymy
dwukrotnie liczbę zderzeń, czyli dwukrotnie
zwiększymy ciśnienie.

Wyjaśnienie w oparciu o koncepcję atomistyczną

6

„Samonapełniająca się flaszka”
Boyle’a

Pneumatical Engine

– pompa

próżniowa przy pomocy której
wykonywał eksperymenty z gazami

Wynalazki Boyle’a

7

p - ciśnienie
V - objętość
E

śr

- średnia energia kinetyczna

wszystkich cząstek w gazie

p - ciśnienie
V - objętość
E

śr

- średnia energia kinetyczna

wszystkich cząstek w gazie

Daniel BERNOULLI

1700 - 1782

1738 Szwajcaria

ilościowe
sformułowanie teorii
kinetycznej gazów

Bazylea XVII w.

Bazylea XVII w.

śr

E

3

2

pV

8

2

2

2

2

kin

3

1

2

4

śr

mv

mv

mv

mv

1

E

4

2

2

2

2

�

�

=

+

+

+

�

�

�

�

Co to jest średnia energia
kinetyczna cząsteczek w gazie?

v

1

v

2

v

3

v

4

m

m

m

m

9

śr

2

pV

E

3

=

..jak pamiętamy Bernoulli wykazał:

R

T

pV

m



śr(m)

2

E

3

R

T

=

śr(m)

3

E

RT

2

=

dla 1 mola gazu doskonałego

dla 1 mola gazu doskonałego

m

(m)

10

śr

2

pV

E

3

=

m

(m)

śr(m)

3

E

RT

2

=

dla 1 mola gazu doskonałego

dla 1 mola gazu doskonałego

śr

2

pV

E

3

=

śr

3

E

nRT

2

=

dla n moli gazu doskonałego

dla n moli gazu doskonałego

pV = nRT

RÓWNANIE CLAPEYRONA

11

WARUNKI NORMALNE - definicja

ciśnienie: 101,325 kPa

temperatura: 0°C (273,15 K)

Objętość 1 mola gazu w warunkach normalnych:

R

T

pV

m



p

RT

V

m



R = 8,3145 J mol

-1

K

-1

R = 8,3145 J mol

-1

K

-1

l22,4 dm

3

12

Amadeo AVOGADRO

1776 - 1856

1811 Włochy
pojęcie cząsteczki jako
najmniejszej części związku
chemicznego

w konsekwencji koncepcji atomistycznej

Daltona oraz prawa Gay-Lussaca:

w konsekwencji koncepcji atomistycznej

Daltona oraz prawa Gay-Lussaca:

W takich samych warunkach ciśnienia i temperatury, te same

objętości różnych gazów zawierają takie same liczby cząsteczek.

W takich samych warunkach ciśnienia i temperatury, te same

objętości różnych gazów zawierają takie same liczby cząsteczek.

Prawo Avogadro

Prawo Avogadro

13

Definicja mola i masy molowej

Masa molowa jest to taka ilość gramów

substancji, która jest równa liczbowo jej

masie atomowej lub cząsteczkowej

1 mol to ilość substancji, która zawiera taką samą

liczbę cząsteczek lub atomów jaka zawarta jest

w 12 gramach

C

12

6

N

A

= 6,022·10

23

liczba

Avogadro

liczba

Avogadro

14

N

A

= 6,022·10

23

liczba Avogadro

liczba Avogadro

Jak wyobrazić sobie tę liczbę?

ostatnia osoba w szeregu zobaczy światło po....

300 milionach lat!

300 milionach lat!

15

pV = nRT

pV = const

p = const·T

V = const·T

stała

objętość V

stałe

ciśnienie p

stała

temperatura T

przemiana

izochoryczna

przemiana

izotermiczna

przemiana

izobaryczna

Michaił ŁOMONOSOW
1711 - 1765

1748 Rosja

prawo zachowania masy

*)

A + B + C + ...... = D + E + .....

substraty

produkty

sumaryczna masa substratów reakcji jest równa

sumarycznej masie produktów

sumaryczna masa substratów reakcji jest równa

sumarycznej masie produktów

*)

niezależnie 1777 A. Lavoisier (Francja)

17

A + B = C + D

+

=

+

Teoria atomistyczna wyjaśnia prawo
zachowania masy:

18

Prawo zachowania masy
– deficyt masy w reakcjach chemicznych

C + O

2



CO

2

+

DH

DH = - 32820 J/g

Ale to wcale nie oznacza, że tyle cząsteczek brakuje!

2

mc

E 

2

2

300000000

32820











c

H

m

dla 1 g C

= -3,6·10

-10

g

12

10

5

2







CO

m

m

cząsteczek CO

2

odpowiada to masie

g

m

CO

23

10

3

,

7

2







masa cząsteczki CO

2

To bardzo mało i zwykle można ten efekt pominąć,

ale…

19

Antoine LAVOISIER
1734 - 1794

1789 Francja

Obalenie teorii flogistonu

Teoria flogistonu – zakładała występowanie w
ciałach palnych substancji zwanej flogistonem
(cieplikiem).

pojęcie pierwiastka chemicznego

konsekwencją reakcji

chemicznych są efekty cieplne

spalanie polega na łączeniu się z
tlenem

20

„pierwiastek to substancja, której

żadnymi znanymi sposobami nie można

rozdzielić na substancje prostsze”

„

pierwiastek to substancja, której

żadnymi znanymi sposobami nie można

rozdzielić na substancje prostsze”

Definicja pierwiastka wg.

Lavoisier’a:

21

Współczesna definicja
pierwiastka chemicznego:

substancja złożona z atomów
o jednakowej liczbie protonów
w jądrze atomowym

22

Koniec XVIII w. -

dzięki pracom Lavoisiera chemia staje się

nauką ilościową

• udowodnienie istnienia wodoru

• woda składa się z wodoru i tlenu

• diament jest odmianą grafitu

• oddychanie jest procesem spalania

• powietrze składa się z co najmniej dwóch składników „oxygenu” i
„azotu”

• stworzenie zasad nazewnictwa chemicznego

Kilka przykładów jego osiągnięć:

23

Każdy

związek

chemiczny,

niezależnie

od

sposobu

otrzymania ma stały skład
jakościowy i ilościowy

NaOH + HCl

NaOH + HCl

Na + Cl

2

Na + Cl

2

Na

2

O + HCl

Na

2

O + HCl

NaCl

NaCl

39,3%
sodu
60,7%
chloru

24

Symbole chemiczne
pierwiastków J. Daltona

Podstawowe założenia teorii Daltona:

•Materia złożona jest z niewidzialnych atomów

•Wszystkie atomy jednego pierwiastka mają
identyczną masę i pozostałe właściwości

•Każdy pierwiastek zbudowany jest z
niepowtarzalnych atomów, różniących się od
innych masą

•Atomy są niezniszczalne i nie podlegają
przemianom podczas reakcji chemicznych,
zmienia się tylko ich wzajemne ułożenie i
powiązanie

•Cząsteczka związku chemicznego składa się
ze skończonej i niewielkiej liczby atomów
różnych pierwiastków

John Dalton (1766 - 1844) – dojrzała

teoria atomistyczna

A new System of Chemical Philosophy

25

=

p

1

+

p

2

p

1

p

2

P

PRAWO DALTONA

PRAWO DALTONA

Każdy związek chemiczny, niezależnie od
sposobu otrzymania ma stały skład
jakościowy i ilościowy

Każdy związek chemiczny, niezależnie od
sposobu otrzymania ma stały skład
jakościowy i ilościowy

Czas miał pokazać, że twierdzenie to jest słuszne dla grupy związków

zwanych:

daltonidami

Należą do nich wszystkie substancje gazowe i ciekłe.

np. H

2

O, CH

4,

C

2

H

5

OH, SO

2

, HCl, HNO

3,

etc.

Czas miał pokazać, że twierdzenie to jest słuszne dla grupy związków

zwanych:

daltonidami

Należą do nich

wszystkie

substancje gazowe i ciekłe.

np. H

2

O, CH

4,

C

2

H

5

OH, SO

2

, HCl, HNO

3,

etc.

W grupie związków będących ciałami stałymi wyróżnia się grupa:

bertolidów

związków, które nie spełniają prawa stałości składu:

np. TiO

1+x

Zn

1+x

O, Ag

x

Sb

1-x

Se

2

W grupie związków będących ciałami stałymi wyróżnia się grupa:

bertolidów

związków, które nie spełniają prawa stałości składu:

np. TiO

1+x

Zn

1+x

O, Ag

x

Sb

1-x

Se

2

Prawo DALTONA

27

Budowa atomu

28

Składniki jądra atomowego - nukleony

protony (+) i neutrony (0)

liczba atomowa Z - liczba protonów w jądrze
liczba masowa A - liczba nukleonów w jądrze
liczba neutronów N = A - Z

X

A

Z

symbol
pierwiastka

Cl

35

17

jądro izotopu chloru
17 protonów, 18 neutronów (35-17)

podstawowe

definicje

atom pierwiastka X określony przez liczbę
atomową Z i liczbę masową A

nuklidy o takiej samej liczbie atomowej Z

nuklidy o takiej samej liczbie masowej A

NUKLID

NUKLID

IZOTOPY

IZOTOPY

IZOBARY

IZOBARY

X

A

Z

Cl

Cl

36

17

35

17

V

Ti

50

23

50

22

cecha

proton

neutron

ładunek

-e

0

masa

1836m

e

1840m

e

klasyczny
promień

~10

-15

m

~10

-15

m

moment

magnetyczny

tak

tak

struktura
wewnętrzna

uud

udd

charakterystyka nukleonów

m

e

= 9,108·10

-31

kg

e = -1,602·10

-19

C

u – kwark górny (+2/3)e

d – kwark dolny (-1/3)e

Jak przedstawić strukturę protonu?

Jak przedstawić strukturę protonu?

u

u

d

+(2/3)e

-(1/3)e

+(2/3)e

u

d

kwark
górny

kwark
dolny

gluon

uud

Jak przedstawić strukturę neutronu?

Jak przedstawić strukturę neutronu?

u

d

kwark
górny

kwark
dolny

gluon

u

d

+(2/3)e

-(1/3)e

d

-(1/3)e

udd

Jądro atomowe....

Jądro atomowe....

...to pojedynczy proton (w atomie wodoru) lub układ złożony z protonów
i neutronów utrzymujący się dzięki tzw.

SIŁOM JĄDROWYM

C

14

6

Masa atomowa

-

to masa pojedynczego atomu

Bezwzględna masa atomowa

– jednostka [kg]

Względna masa atomowa

– jednostka [u] (unit, dalton)

np. masa atomu siarki = 5.3 *10

-26

[kg]

12

6

27

1

1u

masy atomu

C

12

1u

1,66·10

kg

-

=

=

6 protonów

6 protonów

+ 6 neutronów

35

*)

powrócimy do tego problemu na dalszych wykładach

Ten sam pierwiastek może zawierać atomy o
różnej masie tzw.

izotopy

*)

, dlatego wprowadza

się pojęcie

średniej masy atomowej

M

pierwiastka, którą możemy wyznaczyć znając
masy atomów tego pierwiastka oraz ich
zawartości procentowe.

Masa atomowa

36

7,1%

M

2

=6,01

92,9%

M

1

= 7,01

Średnia masa atomowa litu M

Li

skład atomowy litu:

.

a

.

m

.j

41

,

6

01

,

7

100

9

,

92

01

,

6

100

1

,

7

M

Li











37

UKŁAD OKRESOWY

UKŁAD OKRESOWY

średnie masy atomowe

38

Joseph Louis GAY-LUSSAC

1778 - 1850

Prawo stosunków objętościowych

Stosunki objętościowe gazów uczestniczących
w reakcji chemicznej wyrażają się za pomocą
niewielkich liczb całkowitych

H

2

O

2

H

2

H

2

O

H

2

O

+

=

2 : 1 : 2

39

Masa cząsteczkowa

jest sumą średnich mas

atomowych atomów

wchodzących w skład

cząsteczki





i

cz

M

M

M

KCN

= M

K

+ M

C

+ M

N

= 39,1+12,0+14,0 = 65,1 [u]

40

A

)

a

(

cz

N

M

m



Masy atomów i cząsteczek

Masy atomów i cząsteczek

1 mol substancji zawiera N

A

= 6,022·10

23

cząsteczek (atomów) i ma masę

(w gramach) równą liczbowo jej masie cząsteczkowej (atomowej) M

1 mol substancji zawiera N

A

= 6,022·10

23

cząsteczek (atomów) i ma masę

(w gramach) równą liczbowo jej masie cząsteczkowej (atomowej) M

zatem masa atomu (cząsteczki) wynosi:

zatem masa atomu (cząsteczki) wynosi:

1 < M <
100000

10

-27

kg < m

cz(a)

< 10

-22

kg

41

MENDELEJEW Dymitr
Iwanowicz1834 - 1907

1869 Rosja

prawo

okresowości

chemia staje się nauką teoretyczną

chemia staje się nauką teoretyczną

42

43

H

Na

Li Be

Mg

K Ca

Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn

As Se Br

B C

N O

F

Al Si

P

S Cl

Rb Sr Y Zr

Mo

Ru Rh

Cs Ba La

Ta W

Os Ir

Pd Ag Cd

Sb Te

I

Sn

Bi

Pb

Hg

Au

Pt

Ce

Tb

Th

U

Er

1,01

6,94

9,01

10,81 12,01 14,01 16,00 19,00

4,00

20,18

22,99 24,30

26,98 28,09 30,97 32,07 35,50 39,95

39,10 40,08 44,96 47,88 50,94 52,00 54,94 55,85 58,93 58,69 63,55 65,40 69,72 72,61 74,92 78,96 79,90 83,80

85,47 87,62 89,91 91,22 92,91 95,94 97,90 101,07 102,91 106,42 107,87 112,41 114,82 118,71 121,75 127,60 126,91 131,29

132,91 137,33 138,90 178,49 180,95 183,85 186,21 190,20 192,22 195,08

200,59 204,38 207,20 208,98 208,98 209,99 222,02

223,02 226,03 227,03

140,12 140,91 144,24 144,91 150,36 151,97 157,25 158,93

164,93 167,26

173,04 174,97

232,04 231,04 238,03 237,05 244,06 243,06 247,07 247,07 251,08 252,08 257,10 258,10 259,10 260,10

70

1

3

4

11

12

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

18

17

16

15

14

13

10

2

9

8

7

6

5

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

72

73

74

75

76

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

71

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

77

Lantanowce

Aktynowce

Układ okresowy pierwiastków

Mo

Nb

196,97

162,50

168,93

1869 rok

Sc

Ge

Ga

1886

1886

1879

1879

1875

1875

44