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 (n0) |
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:
mat - 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:
Ej - energia zawarta w układzie w różnych postaciach mj - 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
mat =
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 NA [mol-1]
M = NA ⋅ 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 ( mj c2 + Ej ) = const