Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
I. WST
PNE POJ
CIA CHEMICZNE
1. Chemia jako dziedzina nauki
MATEMATYKA
FIZYKA
CHEMIA
ORGANICZNA NIEORGANICZNA FIZYCZNA ANALITYCZNA BIOCHEMIA
FARMACJA
ASTRONOMIA GEOLOGIA METEOROLOGIA BIOLOGIA INśYNIERIA
BOTANIKA ZOOLOGIA
MIKROBIOLOGIA
MEDYCYNA
1 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Chemia jest naukÄ… zajmujÄ…cÄ… siÄ™:
- badaniem budowy
- właściwościami materii
- przemianami
Materia to cały makrokosmos, na którego budowę
składają się wszelkie ciała "mikrokosmosu" jak cząstki
elementarne, ró\
ne rodzaje promieniowania, itp.
Materia składa się z:
- substancji prostych czyli pierwiastków chemicznych
(np. wodór, siarka, złoto),
- substancji zło\
onych czyli związków chemicznych
(np. sól kuchenna, gips),
- mieszanin dwu lub więcej substancji prostych lub
zło\
onych
(np. powietrze, skały, węgiel kopalny, cement).
2 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
2. Budowa atomu
Atom jest zbudowany z:
- jÄ…dra atomowego,
- chmury elektronowej.
Średnice atomów pierwiastków 37 - 133 pm
Åšrednica jÄ…dra 1 - 7 fm
Gęstość materii w jądrze ~ 1017 kg/m3
1 cm3 jÄ…dra ma masÄ™ 100 mln ton !
Jądra składają się z :
- protonów (cząstki dodatnie)
nukleony
- neutronów (cząstki obojętne)
Chmura elektronowa: elektrony
3 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
3. Masa atomowa
Masy atomów, jąder atomowych, cząstek
elementarnych (mikrokosmos) wyra\
a siÄ™ za pomocÄ…
atomowej jednostki masy:
1 u = 1,661Å"
Å"10-27 kg
Å"
Å"
ATOMOWA JEDNOSTKA MASY (u) jest równa
1
/12 masy atomu nuklidu węgla 12C
6
JEST TO JEDNOSTKA SKALI ATOMOWEJ
CzÄ…stki A
adunek
Masa (g) Masa (u) Symbol
podstawowe elektryczny
elektron 9,1093897Å" -1 e
Å"10-28 0,00054857
Å"
Å"
1,672649 Å" 1,007272 +1 p
Å"10-24
Å"
Å"
proton
1,008665 0 n
1,674954 Å"
Å"10-24
Å"
Å"
neutron
4 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Model standardowy (opis uproszczony):
- pierwotnymi składnikami materii są kwarki
i leptony;
patrz: (fizyka jÄ…drowa).
Nuklid to zbiór atomów o jednakowym składzie
jądra. Nuklidy opisuje się ogólnie:
A - liczba masowa,
A
Z - liczba atomowa,
X
Z
X - symbol pierwiastka
LICZBA MASOWA (A) jest równa liczbie
protonów i neutronów w jądrze.
LICZBA ATOMOWA (Z) jest równa liczbie
protonów w jądrze.
5 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Przykłady nuklidów: 1H, 60Co, 137Cs,
1 27 55
Inny (uproszczony) zapis: 1H, 60Co, 137Cs,
Jeszcze inny zapis nuklidów: H-1, Co-60, Cs-137.
A - liczba masowa,
Z - liczba atomowa,
X - symbol pierwiastka
Nuklidy tego samego pierwiastka nazywajÄ… siÄ™
izotopami. Izotopy danego pierwiastka ró\
niÄ… siÄ™ liczbÄ…
neutronów w jądrze.
1
Np. nuklidy wodoru: H, 2H, 3H sÄ… to 3 znane izotopy
1 1 1
wodoru.
W przypadku izotopów wodoru mamy odpowiednio
0, 1 i 2 neutrony w jÄ…drze.
6 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Izotopy mogą być:
- trwałe
- nietrwałe, czyli promieniotwórcze.
* Po 1 izotopie trwałym posiadają: F, P, Sc, Mn, As,
Y, Nb, I, Cs, Au, Bi
* Najwięcej izotopów trwałych posiada cyna (10)
* Brak trwałych izotopów dla pierwiastków
występujących w przyrodzie:
- ciÄ™\
kie pierwiastki o 84 < Z < 92
7 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Skład izotopowy dla wybranych pierwiastków
Liczba Symbol Liczby masowe izotopów (w nawiasach podano
atomowa zawartość w procentach masowych)
1 H 1(99,985), 2(0,015)
2 He 4(99,99987), 3(0,00013)
4 Be 9(100), 10(0,0002)
6 C 12(98,89), 13(1,11)
19 K 39(93,2), 41(6,8), 40*(0,0119)
50 Sn 112(1,02), 114(0,69), 115(0,38), 116(14,3),
117(7,6) 118(24,1), 119(8,5), 120(32,5),
122(4,8), 124(6,1)
53 I 127(100)
55 Cs 133(100)
57 La 138(0,089), 139(0,097), 134(2,42), 135(6,6),
136(7,8) 137(11,3), 138(71,7)
75 Re 185(37,1), 187*(62,9)
79 Au 197(100)
83 Bi 209(100)
*
Nuklidy nietrwałe wykazujące bardzo długi okres półtrwania
i z tego powodu zwyczajowo uwzględniane przy określaniu składu
izotopowego pierwiastków.
8 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
MasÄ… atomowÄ… nazywamy masÄ™ atomu pierwiastka
wyra\
onÄ… w atomowych jednostkach masy.
Jak siÄ™ ma masa atomowa pierwiastka do mas
izotopowych poszczególnych izotopów tego
pierwiastka ?
Pierwiastek występujący w przyrodzie jest
w większości przypadków mieszaniną izotopów.
Masę atomową pierwiastka obliczamy jako średnią
wa\
onÄ… z mas izotopowych naturalnej mieszaniny
izotopów.
Przykład - węgiel:
12
C 98,89 % 12,000000 u
13
C 1,11 % 13,003355 u
masa atomowa węgla:
(98,89 Å" Å" 13,003355) / 100 = 12,011 u
Å" 12,000000 + 1,11 Å"
Å" Å"
Å" Å"
9 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
MasÄ… czÄ…steczkowÄ… nazywamy masÄ™ czÄ…steczki
pierwiastka lub zwiÄ…zku chemicznego wyra\
onÄ…
w atomowych jednostkach masy. MasÄ™ czÄ…steczkowÄ…
obliczamy sumując masy atomowe wszystkich atomów
wchodzących w skład cząsteczki.
W chemii u\
ywamy te\
tzw. względnej masy
atomowej (czÄ…steczkowej).
Względna masa atomowa (cząsteczkowa) jest to
stosunek masy atomu danego pierwiastka (czÄ…steczki
danego pierwiastka lub zwiÄ…zku chemicznego) do 1/12
masy atomu nuklidu C-12. Jest to wielkość
bezwymiarowa.
10 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
4. Mol
Jakie jest przejście pomiędzy makro-
i mikrokosmosem?
To przejście umo\
liwia wielkość zwana licznością.
Jest to wielkość tego samego rodzaju co tuzin
(12 sztuk) czy kopa (60 sztuk) !
Jednostką liczności jest mol.
1 MOL zawiera liczbÄ™ czÄ…stek
(cząsteczek, atomów czy jonów) równą
liczbie atomów zawartych w 12 gramach
nuklidu węgla C-12
Liczba czÄ…stek chemicznych* zawartych w 1 molu jest
nazywana LICZB
AVOGADRO i wynosi 6,022045 Å"
Å"1023
Å"
Å"
*czÄ…stki chemiczne to elementy struktury materii: atomy,
czÄ…steczki, jony, rodniki, pary jonowe. Inna nazwa czÄ…stki to
indywiduum chemiczne.
11 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
WIELKOÅšCI PODSTAWOWE UKA
ADU SI* i ich jednostki:
Zalecane
Jednostki Oznaczenia
Wielkości oznaczenia
jednostek
wielkości
długość l metr m
masa m kilogram kg
czas t sekunda s
natÄ™\
enie prÄ…du I amper A
elekt.
temperatura T kelvin K
światłość I kandela cd
liczność n mol mol
*
Międzynarodowy Układ Jednostek Miar zatwierdzony
w 1960 r. (w Polsce od 1966 r.). Skrót pochodzi
z j. franc. Systeme Internatond d Unites
12 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Masa molowa jest to masa 1 mola wyra\
ona
w g/mol.
Zale\
ność masy atomowej, masy molowej
i względnej masy atomowej np. dla wodoru:
1,0079 u 1,0079
1,0079 g/mol


Jak obliczyć masę 1 atomu wodoru ?
masa 1 atomu wodoru =
= (1,0079 g/mol) / 6,022Å" Å"10- 27 kg.
Å"1023 /mol = 1,6736Å"
Å" Å"
Å" Å"
Jaka jest objętość 1 mola pierwiastka lub związku
chemicznego w stanie gazowym?
W warunkach normalnych, tj. w 273,15 K (0 0 C) i pod
ciÅ›nieniem 1,10035Å"
Å"105 Pa
Å"
Å"
(1 atm), objętość ta wynosi: 22,41 dm3/mol.
13 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Zadanie - definicja mola:
Obliczyć liczbę atomów miedzi znajdującej się w płytce
tego metalu o gruboÅ›ci 1 µ
µm i powierzchni 1 mm2
µ
µ
RozwiÄ…zanie:
Gęstość miedzi: d = 8,92 kg/dm3
Objętość płytki:
V = 1Å" Å" (1Å" Å"10-12 m3 = 1Å"
Å"10- 6 m Å" Å"10- 3)2 m2 = 1Å" Å"10- 9 dm3
Å" Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å" Å"
Masa płytki:
m = d Å" Å" 1Å" Å"10- 6 g
Å" V = 8,92 kg/dm3 Å" Å"10- 9 dm3 = 8,92Å"
Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å"
1 mol - 63,55 g
x - 8,92Å"
Å"10- 6g
Å"
Å"
8,92 Å" 10-6
Å"
Å"
Å"
-
-
-
x = Å"
= 1,40 Å"
Å"10-7 mola
Å"
63,55
1 mol - 6,022Å"
Å"1023 atomów
Å"
Å"
1,40Å"
Å"10- 7 mola - y
Å"
Å"
y = 6,022Å" Å" 1,40Å" Å"1016 atomów
Å"1023 Å" Å"10-7 = 8,43Å"
Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å"
14 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
5. Trwałość jądra
Miarą trwałości jądra jest wartość energii
wydzielonej podczas jego hipotetycznej
syntezy z protonów i neutronów
Rozpatrzmy atom izotopu berylu 9Be:
4
4 protony 4 x 1,0073 u = 4,0292 u
5 neutronów 5 x 1,0087 u = 5,0435 u
4 elektrony 4 x 0,0005 u = 0,0020 u
9,0747 u
9
Faktyczna masa izotopu Be wynosi 9,0122 u
4
Ubytek masy (defekt masy) "
"m = 0,0625 u
"
"
Odpowiada to energii ( E = mc2 ):
0,0625 u Å" Å"10-10 J/u = 9,31Å"
Å" 1,49Å" Å"10-12 J
Å" Å" Å"
Å" Å" Å"
15 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
-
-
-
9,31Å"10-12J
Å"
Å"
Å"
-
-
-
= 1,034 Å"10-12J = 6,48 MeV
= Å" =
= Å" =
= Å" =
Na 1 nukleon:
9
Na 1 mol: 1,034Å" Å" 6,022Å" Å"1011 J/mol
Å"10-12J Å" Å"1023 = 6,22Å"
Å" Å" Å" Å"
Å" Å" Å" Å"
Energia jÄ…drowa ~ 6Å"
Å"1011 J/mol
Å"
Å"
Energia chemiczna ~ 105 J/mol
Energia jÄ…drowa >> Energia chemiczna
Max. dla 60Ni (8,75 MeV)
E
8
Ä™!
6
4
2
60 100 200
Energia wiązania nuklidów przypadająca na 1 nukleon w zale\
ności od liczby masowej (A)
16 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne
Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w
Siły jądrowe są zupełnie innego rodzaju ni\
siły
grawitacyjne czy te\
siły elektrostatyczne.
JÄ…dra lekkie synteza jÄ…drowa energia



termojÄ…drowa
JÄ…dra ciÄ™\
kie reakcje rozszczepienia jÄ…der



energia jÄ…drowa
Koniec Rozdziału I-go.
17 / 17
Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne