Wykład nr 1
Chemia - to nauka zajmująca się badaniem materii i
zmianom, jakim może ona podlegać.
Chemia nieorganiczna zajmuje się chemią wszystkich
pierwiastków (a więc i węgla). Przyjęło się wyodrębniać z
niej chemię organiczną (a więc wydziela się chemię
związków węgla z wodorem i ich połączeń z innymi
pierwiastkami) i fizyczną (badającą właściwości fizyczne
pierwiastków i ich związków oraz szukającej zależności
ilościowych).
Pojęcia podstawowe w chemii:
Substancja czysta - substancja o ustalonym składzie. Przykłady :
pierwiastek lub związek chemiczny.
Pierwiastek - Najprostsza substancja o wyjątkowych dla siebie
właściwościach chemicznych i fizycznych. Nie może zostać
rozdzielony (podzielony) na prostsze substancje żadnymi
metodami chemicznymi ani fizycznymi.
Związek chemiczny - Substancja składająca się z jednego lub
więcej pierwiastków połączonych wiązaniem chemicznym.
Mieszanina - Układ dwóch lub więcej pierwiastków lub
związków chemicznych rozróżnialnych (dających się
rozdzielić) metodami fizycznymi.
Atom - najmniejsza, dająca się wydzielić część
pierwiastka, mająca te same właściwości chemiczne. Cała
materia zbudowana jest z atomów, choć atomy możemy
podzielić na mniejsze cząsteczki (elektrony, protony,
neutrony) to tylko atom zachowuje właściwości
pierwiastka. Żaden atom danego pierwiastka nie może
zostać zmieniony w atom innego pierwiastka dzięki reakcji
chemicznej.
Doświadczenie Rutherford a
" Atom bombardowany cząsteczkami ą. Cząsteczki
te pochodziły z rozpadu promieniotwórczego radu
Eksperyment Rutherforda
Ogólne właściwości atomu
Chmura elektronów
Chmura elektronów
Jądro
Jądro
Właściwości cząsteczek elementarnych
Nazwa A
adunek Masa Lokalizacja
(Symbol) Relatywny Absolutny Relatywna (amu) Absolutna w atomie
Proton 1 + 1.60218 x 10-19 C* 1.00727 1.67262 x 10-24 g jądro
+
(P )
Neutron 0 0 1.00866 1.67593 x 10-24 g jądro
o
(n )
Elektron 1 - -1.60218 x 10-19 C* 0.00054858 9.10939 x 10-28g poza jądrem
-
(e )
* culomb (C) jest jednostką ładunku w układzie SI
A
Zapis atomu lub izotopu
X
Z
X = Symbol pierwiastka, związany z nazwą
A = Liczba masowa; A = Z + N
Z = Liczba atomowa, to liczba protonów w jądrze
N = Liczba neutronów w jądrze
Symbole
Symbole
12
12
6
6
C
C
Ile ?
p =
p =
n = ?
n = ?
35
35
e =
e =
16
16
S
S
p = 16
p = 16
n = 19
n = 19
35
35
e = 16
e = 16
16
16
S
S
Budowa atomu
Budowa atomu została zaproponowana przez Rutherford'a na podstawie
wyników przepuszczania promieniowania a przez folię ze złota (patrz folie w
dalszej części wykładu). Dziś wiemy, że atom składa się z jądra oraz
elektronów znajdujących się poza jądrem. Jądro jest bardzo małe w stosunku
do wielkości atomu. Typowo jego rozmiar to 10-14 m, podczas gdy promień
atomu ma ok. 10-10 m. Jądro składa się z protonów i neutronów o
właściwościach podanych w tabeli. Jak widać z przedstawionych danych aby
atom pozostał elektrycznie obojętny liczba elektronów musi być równa liczbie
protonów.
Co utrzymuje atom w całości?
Elektrony utrzymuje ładunek jądra (oddziaływanie
elektrostatyczne). Co utrzymuje jądro?
. Hel posiada 2 protony, 2 neutrony oraz 2 elektrony. Jego masa to:
2p + 2n 4.03188 jednostek masy
masa jądra helu = He  2e 4.00150 jednostek masy
Jak widać masa jądra helu jest mniejsza niż suma masy jego składników.
Zgodnie z równaniem Einsteina różnica masy wynosząca w tym przykładzie:
0.03038 jednostek
musiała zostać zamieniona na energię (prawo zachowania masy i energii)
E = mc2
E = 2.73 x 109 kJ/4g helu lub 28.32 MeV
Podobnie gdybyśmy rozpatrzyli fluor o liczbie masowej 19. Liczba
atomowa dla fluoru wynosi 9, jądro posiada więc 9 protonów i 10
neutronów.
masa 10 n + 9p = 31.81033 10-23g
masa jądra F = 31.5483 10-23g
deficyt masy = 0.26202 10-23g
E = mc2 = 2.37 10-11 J/1 atom F = 2.981 x 109 kJ/4g fluoru
Jak widać z przedstawionych przykładów, wydzielająca się w
trakcie tworzenia się jądra atomu z komponentów energia, gdyby
chciało się te jądra rozbić na składniki musi ponownie zostać
dostarczona. Energię tą można nazwać więc energią wiązania jądra.
Generalnie energia ta jest bardzo duża.
Dla fluoru 2.37 x10-11J/atom = 7.453 x 1011 kJ/kg
przykładowo energia spalania węgla kamiennego wynosi 3.5 x
104 kJ/kg
Tak więc energia tworzenia 1 kg fluoru jest ok. 20.000.000 razy
większa. Widać więc, że zmiany w energii elektronów, którymi
zajmuje się chemia, nie mogą doprowadzić do reakcji jądrowej.
Ponieważ reakcje chemiczne nie są w stanie zmienić
struktury (składu) jądra, o właściwościach
pierwiastków decydują elektrony (ich liczba i
rozmieszczenie). Możemy więc powiedzieć, że
atomy o tej samej liczbie elektronów i takiej samej
energii będą chemicznie nierozróżnialne. Tak jest
wyłącznie dla atomów o tej samej liczbie protonów.
Teoria atomowa Daltona
1. Cała materia składa się z atomów.
2. Atomy jednego pierwiastka nie mogą być
zmienione w atomy innego pierwiastka
3. Atomy pierwiastka mają identyczne masy i inne
właściwości oraz są różne od atomów dowolnego
innego pierwiastka
4. Związki powstają z połączenia różnych pierwiastków
w odpowiednich proporcjach
Mówimy więc, że pierwiastek chemiczny
składa się z atomów o tej samej liczbie
protonów. Standartowo liczbę protonów
nazywamy liczbą atomową, oznaczamy ją w
chemii literą Z. Ponieważ neutrony nie wpływają
znacząco na energię elektronów ani na ich liczbę
w atomie, dlatego też atomy tego samego
pierwiastka mogą różnić się liczbą neutronów.
Izotopy
Definicja
Atomy tego samego pierwiastka różniące się
jedynie liczbą neutronów
Na przykład C ma 3 naturalne izotopy
Mierząc doświadczalnie masę atomu danego pierwiastka
bardzo często uzyskujemy wartości sugerujące, że jądro
atomu składa się z ułamkowej liczby neutronów. Wynika to
z faktu uśredniania masy mieszaniny atomów o różnej
masie. Np. gdyby mieszanina składała się z równej ilości
atomów helu o 2 i 3 neutronach to średnia masa atomu helu
wyniosłaby 4.5 (atom helu zawiera dodatkowo 2 protony)
jednostek masy:
masa atomowa He = (4 + 5)/2 = 4.5
W celu obliczenia dla danego pierwiastka liczby neutronów
przybliża się doświadczalną masę atomową do najbliższej
liczby całkowitej i uzyskuje się tzw. liczbę masową, w chemii
oznaczana jest ona literą A. Izotopem nazywamy zbiór
atomów danego pierwiastka o tej samej liczbie neutronów,
a więc i tej samej liczbie masowej (liczbą masową nazywamy
sumę ilości protonów i neutronów (nukleonów) w jądrze).
Każdy pierwiastek chemiczny, dla swojej identyfikacji, ma
określoną nazwę, która z reguły jest nazwą historyczną
związaną z jego odkryciem. Dodatkowo, dla prostoty zapisu
reakcji chemicznych, każdy pierwiastek ma swój symbol.
Zarówno nazwa jak i symbol pierwiastka jest dla niego
unikalna. Wyjątkiem jest wodór, dla którego trzech izotopów
nadano trzy nazwy oraz trzy odpowiadające im symbole.
Wodór z jądrem zbudowanym z 1-go protonu nazywany jest
wodorem i oznaczany literą H. Wodór posiadający w jądrze
proton i 1 neutron zwany jest deuterem (symbol D), a wodór z
protonem i dwoma neutronami w jądrze zwany jest trytem
(symbol Tr). Deuter występuje w przyrodzie (w wodzie ok. 1
0 wody to woda ciężka D2O), tryt jest promieniotwórczy i na
Ziemi występuje w śladowych ilościach.
Jeśli popatrzymy się na masę cząsteczek elementarnych, z
których zbudowany jest atom to można zauważyć, że cała
masa atomu praktycznie skupiona jest w jądrze (elektrony są
ok. 1834 x lżejsze od pojedynczego protonu czy neutronu -
patrz folia 6, tak więc dla każdego atomu w układzie
okresowym stanowią zaledwie ułamki promila jego masy. Z
drugiej strony jądro zajmuje ułamek objętości atomu. Materia,
którą widzimy zbudowana jest więc w głównej mierze z
pustki.
23.580.000 ton.
gęstość jądra Fe
19 mln ton / cm3
1 cm
1 cm
7074 tony = masa
100 m
elektronów (0.03% masy
Fe)
100 m
300 m
1.219 cm