Wprowadzenie - podstawowe pojęcia, prawa chemiczne, jednostki

Chemia jest nauką o strukturze materii, jej właściwościach i niektórych przemianach;

pozwala zrozumieć dlaczego substancje wykazują określone właściwości,

umożliwia rozpoznanie mechanizmu przemian jednych substancji w drugie, ich ilościowy opis oraz praktyczne wykorzystanie.

Rozszerzone pojęcie materii obejmuje, poza materią korpuskularną, również wszelkie formy energii. Równoważność masy i energii podaje równanie Alberta Einsteina (1905r.)

E - energia, m - masa, c - prędkość światła w próżni = 3 ⋅ 10⁸ ms^-1;

Materia korpuskularna ma budowę ziarnistą nieciągłą, zbudowana jest z atomów. Atomy różnych pierwiastków różnią się od siebie. Rozmiary atomów, rzędu 10^-8 cm, zależą od rodzaju pierwiastka, im bardziej złożona budowa atomu tym większy jego promień.

Atom zbudowany jest z jądra, w którego niezwykle małej objętości skupiona jest niemal całkowita masa atomu, oraz elektronów (e, e^-) znajdujących się w stosunkowo dużej przestrzeni otaczającej jądro.

Jądro atomu zawiera głównie dodatnio naładowane protony ( ¹₁p, p⁺, ¹₁ H ) oraz elektrycznie obojętne neutrony (¹₀n, n⁰). Protony i neutrony są nukleonami.

Niektóre cząstki elementarne:

Grupa	Cząstka i symbol	Masa spoczynkowa w jednostkach masy elektronu ( 9,1083⋅ 10^-31kg)	Ładunek C w jednostkach elementarnych ładunku (1,602⋅10^-19C)
Fotony Leptony Nukleony	foton (γ ) neutrino (ν) pozyton (e^+) elektron (e^-) proton (p) neutron (n)	0 0 1 1 1836 1838	0 0 +1 -1 +1 0

Elementarne składniki atomu:

Cząstka	Masa [ g ]	Masa [ u ]	Ładunek [ C ]	Symbol	Trwałość poza jądrem
proton	1,6726 ⋅ 10^-24	1,00728	+1,602⋅10^-19	^11p (p^+, ^11H)	duża
neutron	1,6749 ⋅ 10^-24	1,00867	0	^10n (n^0)	mała
elektron	0,91096 ⋅ 10^-27	1/1836	-1,602⋅10^-19	e (e^-)	duża

Liczba masowa jest bardzo zbliżona do względnej masy atomowej pierwiastka, czyli masy jego atomu wyrażonej w atomowych jednostkach masy (u).

Zapis charakteryzujący jądro danego pierwiastka:

liczba masowa = liczba protonów (Z) + liczba neutronów (A-Z)

Α symbol pierwiastka

E

Ζ

liczba atomowa = liczba protonów = ładunek jądra

liczba elektronów = liczba porządkowa pierwiastka

Na przykład: jądro tlenu ¹⁶₈O , jądro wodoru ¹₁H, jądro azotu ¹⁴₇N

Arytmetyczna suma mas nukleonów, z których składa się jądro, jest zazwyczaj wyższa od rzeczywistej masy danego atomu. Ten deficyt masy Δm pomnożony przez kwadrat prędkości światła w próżni - c - jest równy energii wiązania jądra, ΔE:

Łączeniu nukleonów, w procesie nazywanym syntezą jądrową, towarzyszą olbrzymie porcje energii.

Atomy poszczególnych izotopów noszą nazwę nuklidów. Każdemu izotopowi odpowiada inny rodzaj nuklidów. Izotopy tego samego pierwiastka mają nuklidy o tej samej liczbie atomowej, lecz o różnej liczbie masowej. Izotopy różnych pierwiastków mają nuklidy różniące się liczbą atomową i najczęściej również masą.

Nuklidy o takiej samej liczbie masowej różniące się liczbą atomową to izobary, np. ³₁H, ³₂He;

Jądra atomowe o tej samej liczbie neutronów, ale różnej liczbie protonów (o różnym ładunku jądra) to izotony, np. ⁷₄Be, ⁶₃Li;

Masa atomowa pierwiastka jest średnią masą atomową wynikającą z procentowej zawartości jego izotopów w przyrodzie:

gdzie:

m_at - masa atomowa pierwiastka

A₁, A₂⋅⋅⋅ - liczby masowe izotopów

%m₁, %m₂ ⋅⋅⋅ - procentowe zawartości poszczególnych izotopów pierwiastka

naturalne

Izotopy mogą być trwałe lub promieniotwórcze:

sztuczne

masa bezwzględna atomu

masa molowa cząsteczki lub jonu

liczba Avogadra

Podstawowe prawa chemiczne:

Prawo zachowania materii W układzie zamkniętym, w warunkach w których materia nie zostaje wymieniana z otoczeniem, ilość materii pozostaje niezmienna, niezależnie od przemian zachodzących w układzie:

E_j - energia zawarta w układzie w różnych postaciach m_j - masy substancji tworzących układ

Możliwa jest jedynie zmiana postaci materii pomiędzy masą a energią. W reakcjach chemicznych, z wyjątkiem przemian jądrowych, wydzielająca się energia stanowi tak znikomą część masy układu, że prawo zachowania materii sprowadza się praktycznie do:

Prawa zachowania masy (Lavoisier, 1785): we wszystkich reakcjach chemicznych zachodzących w układzie zamkniętym łączna masa reagentów nie ulega zmianie (suma mas produktów równa się sumie mas substratów).

Prawo stosunków stałych (Proust, 1799): Każdy związek chemiczny ma stały i charakterystyczny skład ilościowy, czyli, że związki chemiczne powstają przez połączenie składników zawsze w ściśle określonym stosunku, a skład jakościowy i ilościowy jest jednoznacznie określony wzorem chemicznym związku.

Prawo stosunków wielokrotnych (Dalton, 1804): Jeśli dwa pierwiastki tworzą ze sobą więcej niż jeden związek chemiczny, to ilości wagowe jednego pierwiastka przypadające na stałą ilość wagową drugiego pierwiastka pozostają do siebie w stosunku prostych liczb całkowitych.

Prawo Avogadra (Avogadro, 1811): W równych objętościach różnych gazów w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia znajduje się zawsze taka sama liczba cząsteczek.

Jednostki podstawowe układu SI
Nazwa wielkości	nazwa jednostki	skrót literowy
długość	metr	m
masa	kilogram	kg
czas	sekunda	s
natężenie prądu	amper	A
temperatura	kelwin	K
ilość substancji	mol	mol
światłość źródła światła	kandela	cd

E = m ⋅ c²

Energia w przyrodzie jest kwantowana (Planck, 1900), to znaczy że każdy element materii emituje (wysyła) lub absorbuje (pochłania) tylko ściśle określone kwanty - porcje energii, równe:

E = h ⋅ ν = h ⋅ c/λ = h ⋅ c ⋅v

h = 6,62⋅10^-34 J⋅s - stała Plancka liczba falowa [m^-1]

ν - częstotliwość promieniowania [Hz = s^-1]

λ - długość fali promieniowania [m]

Każdy element lub układ elementów materii dąży do tego aby być w minimum energetycznym

Liczba protonów w jądrze = liczba elektronów w atomie= liczba atomowa (porządkowa) danego atomu ( Z )

Suma protonów i neutronów (liczba nukleonów) = liczba masowa danego atomu ( A )

Pierwiastek to zbiór atomów o tej samej liczbie atomowej Z, czyli tej samej liczbie protonów i tym samym ładunku jądra

Atomowa jednostka masy (1u ) jest to 1/12 masy atomu izotopu węgla ¹²C,

ma wartość 1,66⋅10^-27 kg; odpowiada jej energia 931 MeV

Względna masa atomowa pierwiastka jest to liczba określająca, ile razy masa atomu danego pierwiastka jest większa od atomowej jednostki masy (u)

Względna masa cząsteczek chemicznych - masa cząsteczkowa - jest sumą względnych mas atomowych pierwiastków tworzących cząsteczkę

ΔE = Δm ⋅ c²

Izotopy pierwiastka = atomy o tej samej liczbie atomowej Z, ale innej liczbie neutronów w jądrze

m_at =

Mol jest jednostką liczności materii, która zawiera tyle atomów, cząsteczek, jonów lub innych cząstek materialnych, ile atomów znajduje się w 12 g izotopu węgla ¹²C

Masa jednego mola substancji wyrażona w gramach to masa molowa danej substancji (M) [g ⋅ mol^-1]

Mol zawiera 6,02⋅10²³ atomów, cząsteczek, jonów lub innych cząstek dowolnej substancji

Liczba ta nazywa się liczbą lub stałą Avogadra N_A [mol^-1]

M = N_A ⋅ m

Mol pierwiastka lub związku chemicznego w stanie gazowym zajmuje w warunkach normalnych, to znaczy w temperaturze t=0°C (T=273,16 K) i pod ciśnieniem 1013,25 hPa (1 atm), objętość 22,4 dm³. Jest to tzw. objętość molowa gazów.

Σ ( m_j c² + E_j ) = const