Chemia opracowanie

1. Budowa materii: pierwiastki, liczba atomowa, masowa, konfiguracja elektronowa, orbitale.

Obecnie materia dzieli się na trzy stany skupienia:

• Gazy

• Ciecze

• Ciało stałe

Niesklasyfikowane są plazma i ciekły kryształ, gdyż posiadają właściwości więcej niż jednego stanu skupienia. Zaś ciała stałe dzielą się na amorficzne i krystaliczne.

Atomy składają się z protonów (p) i neutronów (n) (nukleonów) umieszczonych w jądrze i elektronów (e) krążących wokół jądra.

_Z^AX A – liczba masowa neutrony +protony

Z – liczba protonów/elektronów

A-Z neutronów

Cząsteczkami, z których składają się nukleony i elektrony są kwarki, istnieje sześć rodzajów kwarków:

• Up $+ \frac{2}{3}$

• Down $- \frac{1}{3}$

• Charm $+ \frac{2}{3}$

• Strange $- \frac{1}{3}$

• Top $+ \frac{2}{3}$

• Bottom $- \frac{1}{3}$

Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, suma ich ładunków daje +1. Neutron składa się z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych, suma ładunków = 0.

Pierwiastek to inaczej substancja prosta, jego atomy zachowują te same właściwości. Inaczej substancja, która zawiera jednakową ilość protonów w jądrze.

Powłokę elektronową tworzą elektrony krążące w tej samej odległości wokół jądra. Powłok może być maksymalnie 7. Ilość elektronów na każdej powłoce określa wzór 2n²., Czyli na pierwszej powłoce mogą być 2 elektrony, a na 7 aż 98 elektronów. Poniżej kolejność zapełniania powłok elektronowych wraz z podpowłokami. Podpowłoki powstają wskutek dużej ilości elektronów na powłoce. Oddziałują one na siebie wzajemnie odpychająco, powodując rozszczepienie powłok, na podpowłoki. Orbital to część podpowłoki, na której jest największe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu. Wg reguły Hunda najpierw zapełnia się orbitale tak, by elektrony były na nich niesparowane, elektrony te posiadają wtedy jednakową orientację spinu, dzieje się tak, gdyż elektrony starają wybierać stan kwantowy o najniższej energii. Następnie wg zakazu Pauli’ego, gdy na jednym orbitalu pojawią się dwa elektrony, muszą mieć one przeciwny spin. ↑ - spin zgodny z ruchem wskazówek zegara, ↓ - odwrotny.

Ilość orbitali na podpowłokach:

• s – jeden orbital, ma kształt sfery,

• p – trzy, mają kształt 8 nabitej na oś

• d – pięć, mają kształty 8 i pierścienia wokół środka (dziwne bajery)

• f – siedem,

• itd.

Przykłady konfiguracji elektronowej z uwzględnieniem wszystkich zasad:

1. Układ okresowy, struktura, grupy pierwiastków, izotopy, roztwory, mieszaniny, związki.

W grupach głównych wszystkie elektrony z powłoki walencyjnej zajmują orbitale typu: s i p, w grupach pobocznych orbitale: s i d, a w grupie lantanowców i aktynowców orbitale: s, d i f. Jest to podstawą do podzielenia układu okresowego na bloki: s i p (grupy główne), d (grupy poboczne) oraz f (lantanowce i aktynowce). W większości współczesnych, graficznych przedstawień układu okresowego grupy główne są rozdzielone za drugą grupą całym blokiem d, a blok f jest "wyciągnięty" pod połączone bloki s, p i d. Pierwiastki danego okresu mają tę samą liczbę powłok elektronowych. Pierwiastki należące do tej samej grupy charakteryzują się tą samą liczbą elektronów walencyjnych, a w konsekwencji podobnymi właściwościami chemicznymi.

Izotop – odmiana pierwiastka o innej liczbie neutronów, może posiadać inne właściwości fizyczne i chemiczne. Najbardziej znanymi izotopami, są izotopy wodoru, tzn. prot, deuter i tryt. Deuter ma zdolność spowalniania neutronów, używa się go do tworzenia ciężkiej wody D_{,2O, która} z kolei jest używana w elektrowniach jądrowych. Tryt używany jest, jako wskaźnik wieku. Ze względu na różnicę mas atomowych izotopów danego pierwiastka, zmieniać się mogą też właściwości fizyczne i chemiczne. Izotopy promieniotwórcze znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, a nawet medycyny. Izotopy z grubsza dzielą się na:

• Trwałe – nie ulegają samorzutnie przemianie na inne pierwiastki,

• Nietrwałe – ulegają samorzutnej przemianie na izotopy innych pierwiastków, wydzielając promieniowanie γ i E_k

Substancje chemiczne:

• Proste - pierwiastki

• Złożone:

• Związki chemiczne – powstaje w wyniku połączenia się substancji prostych jakimkolwiek wiązaniem chemicznym, ma inne właściwości od swoich składników, sumaryczny ładunek musi wynosić 0

• Mieszaniny – zwykłe wymieszanie dwóch lub więcej substancji,

• Jednorodne – nierozróżnialne składniki gołym okiem, utracenie części właściwości, np. woda z solą.

• Niejednorodne – rozróżnialne składniki, łatwe oddzielanie, zachowanie większości właściwości składników.

Roztwór – mieszanina jednorodna. Składa się z rozpuszczalnika i substancji rozpuszczanej. Rodzaje:

• Właściwy – roztwór jednofazowy o bardzo małych cząsteczkach

• Koloidalny – roztwór dwufazowy, składa się z fazy ciągłej i fazy rozproszonej, zawieszonej w ośrodku, nierozpuszczalnej w nim.

Rozpuszczalność jest to maksymalna liczba gramów substancji, którą można rozpuścić w 100 g rozpuszczalnika w danej temperaturze, aby otrzymać roztwór nasycony. Zależy od temperatury, ciśnienia, rozpuszczalnika i substancji rozpuszczanej.

Roztwór nasycony – taki, w którym w danej temperaturze nie można już więcej rozpuścić danej substancji.

Roztwór nienasycony – taki, w którym można.

1. Wiązania (oddziaływania) chemiczne, mechanizm.

1. Rodzaje wiązań w ciałach stałych:

• Jonowe (heteropolarne) – polega na przekształcaniu się dwóch atomów w kation i anion a następnie na elektrostatycznym przyciąganiu się różnoimiennych ładunków. Jeden z atomów – później anion oddaje część swoich elektronów walencyjnych drugiemu atomowi – później kationowi, by ten mógł utworzyć oktet elektronowy. Najczęściej kationem zostaje metal, anionem niemetal. Zachodzi, gdy różnica elektroujemności jest większa niż 1,7. Ze względu na różnicę ładunku (+ i -) oba atomy się przyciągają.

• Kowalencyjne (homopolarne) – występuje pomiędzy atomami o średniej różnicy elektroujemności (0-0,4) i zarazem o wysokiej elektroujemności. Polega na uwspólnieniu pary(bądź par) elektronów, które krążą, jako chmura elektronowa wokół obu jąder atomowych. Istnieje wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane i spolaryzowane. To pierwsze występuje, gdy łączą się te same pierwiastki niemetalu. O₂. Zaś spolaryzowane powstaje, gdy łączą się różne pierwiastki, powoduje to powstawanie dipoli z połączonych pierwiastków,

• Metaliczne – powstaje między pierwiastkami metali, których różnica elektroujemności wynosi maks. 0,4. Polega na oderwaniu się elektronów walencyjnych od atomu i powstawanie kationów, wokół których znajduje się gaz elektronowy z oderwanych elektronów, elektrony walencyjne mogą się swobodnie poruszać wokół kationów, powoduje to powstanie pasma przewodnictwa,

• Międzycząsteczkowe (siły van der Walsa) – najsłabsze wiązania, sąsiednie cząsteczki indukują w sobie dipole elektryczne, co staje się źródłem słabego przyciągania między tymi cząsteczkami. Dokładniej: niesymetrycznie rozstawienie cząsteczek powoduje w nich strony „bardziej dodatnie” i „bardziej ujemne”.

• Wiązanie wodorowe dwie cząsteczki/jony połączone są jonem wodorowym; Szczególne znaczenie ma wiązanie –O–H---O–; Pełni szczególną rolę w utrzymaniu białek i kwasów nukleinowych.

• Wiązanie sigma – wszystkie wiązania powstające w wyniku czołowego nakładania się orbitali nazywa się wiązaniami sigma (najbardziej prawdopodobne występowanie elektronu pokrywa się z osią łączącą oba elektrony).

Oktet elektronowy – konfiguracja elektronów walencyjnych, jaką posiadają gazy szlachetne. W wiązaniach atomy dążą do tej konfiguracji, gdyż jest ona najtrwalsza, wynika to z korzystnego zapełnienia orbitali s i p.

Wiązanie koordynacyjne – wyjątkowy przypadek wiązania kowalencyjnego, gdy uwspólniona para elektronów pochodzi od jednego atomu: NH₄Cl.

1. Stany skupienia materii, wielkości, prawa.

Trzema podstawowymi stanami skupienia są:

• Gaz

• Ciecz

• Ciało stałe.

Dyfuzja - Jest to proces rozprzestrzeniania się cząsteczek w danym ośrodku, będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek.

Gazy – substancje bez określonego kształtu i objętości. Przyjmują te właściwości od naczynia, w którym się znajdują.

Ciecz – zachowują własną objętość, lecz przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują. Ciecze charakteryzuje lepkość i napięcie powierzchniowe. Lepkość to opór przeciwdziałający płynięciu. Napięcie powierzchniowe cieczy określa działającą na jej powierzchnię siłę. Powierzchnia cieczy jest gładka, ponieważ siły międzycząsteczkowe wciągają cząsteczki do wewnątrz.

Ciała stałe dzielą się na krystaliczne i amorficzne. Istnieją trzy podstawowe komórki elementarne, wg, których układa się większość kryształów:

• A1 – regularna, płasko centrowana,

• A2 – regularna, przestrzennie centrowana,

• A3 – heksagonalna, zwarta.

Między cząsteczkami metali występuje wiązanie metaliczne. Ruchliwość elektronów walencyjnych warunkuje takie właściwości metalu, jak:

• Połysk,

• Kowalność,

• Ciągliwość,

• Przewodnictwo elektryczne.

Klasyfikacja materiałów wg oporności:

1. Izolator,

2. Przewodnik metaliczny,

3. Półprzewodnik,

4. Nadprzewodnik.

1. Teoria pasmowa, stopy.

Teoria pasmowa dotyczy zasadniczo dwóch poziomów energetycznych atomów w ciele stałym: najbardziej zewnętrznego poziomu obsadzonego elektronem i najbliższego mu poziomu wzbudzonego. Poziomy te pod wpływem oddziaływania pól elektrostatycznych pozostałych atomów ulegają rozszczepieniu na dużą liczbę blisko położonych poziomów tworzących pasma energetyczne: walencyjne i przewodnictwa. W ramach pasma elektrony poruszają się swobodnie dzięki małym różnicom energii pomiędzy tworzącymi je poziomami. Na każdym poziomie tworzącym pasmo mogą być 2 elektrony.

Półprzewodnik – substancja, której przewodność może być zmieniana za pomocą różnych sposobów, do domieszek, po naświetlenie. Istnieją następujące typy półprzewodników:

• Półprzewodnik samoistny – monokryształ półprzewodnika, którego materiał jest idealnie czysty, bez zamieszek, w temperaturze ok. 300K część elektronów przechodzi do pasma przewodnictwa pozostawiając nieobsadzone miejsca w paśmie walencyjnym, miejsca te będą zajmowane przez elektrony z niższych pasm, gdy dostarczy się im energię.

• Półprzewodnik typu n – jego działanie polega na wprowadzenie do kryształu półprzewodnika (krzemu IV) zanieczyszczeń w postaci pięciowartościowych pierwiastków. Powoduje to powstanie jednego wolnego elektronu, który przejdzie do pasma przewodnictwa półprzewodnika. Tworzy to w paśmie przewodnictwa pasmo donorowe – złożone właśnie z tych elektronów, są one wtedy nośnikiem ładunku w półprzewodniku.

• Półprzewodnik typu p – polega na wprowadzeniu do kryształu półprzewodnika (krzemu IV) zanieczyszczeń w postaci trójwartościowych pierwiastków. Oznacza to, że będzie brakowało czwartego elektronu do uzupełnienia wiązań. Powstaje dodatkowy poziom energetyczny zwany akceptorowym położony nad lub w walencyjnym poziomie. Poziom ten wiąże elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym, w którym brakuje po jednym elektronie na każdy atom domieszki, są to tak zwane dziury elektronowe, które zdolne są do przewodzenia prądu.

Stop – mieszanina dwóch lub więcej metali, lub metalu z innym pierwiastkiem. Stopy dzielą się na:

• Stop jednofazowy – atomy są rozmieszczone równomiernie, substancja rozpuszczana nie przekracza granicznej rozpuszczalności,

• Stop wielofazowy – atomy są rozmieszczone nierównomiernie.

Inny podział:

• Stop substytucyjny – część atomów głównego składnika stopu w sieci krystalicznej zostaje zastąpiona atomami domieszki, muszą to być atomy wystarczająco duże.

• Stop międzywęzłowe – atomy domieszki muszę być wystarczająco małe, by zmieścić się między wiązaniami metalu.

1. Krystalografia, alotropia.

Komórka elementarna – jest to najmniejsza jednostka, z której można zbudować kryształ, poprzez dodawanie jej (powielanie) w trzech prostopadłych kierunkach. Komórka elementarna powtarza się we wszystkich trzech kierunkach, tworząc zamkniętą sieć przestrzenną, której główną cechą jest symetria. Komórka elementarna ma zawsze kształt równoległościanu. Poprzez translacje komórki elementarnej o wektory będące całkowitymi wielokrotnościami wektorów sieci krystalicznej otrzymuje się całą sieć krystaliczną kryształu. Podstawowe rodzaje komórek elementarnych:

• Komórka prosta, na jedną komórkę przypada jeden atom, po $\frac{1}{8}$ atomu w każdym narożu

• Komórka centrowana przestrzennie:

• Komórka centrowana płasko:

• Komórka o centrowanej podstawie:

Rodzaje kryształów ze względu na wiązania:

Kryształy kowalencyjne:

• Atomy przyjmują stabilną konfigurację elektronową odpowiedniego gazu szlachetnego.

• Np. diament, gdzie każdy atom C jest otoczony 4 innymi ułożonymi w kształcie czworościanu.

Defekty sieci krystalicznej dzielą się w zasadzie na dwie grupy:

• Punktowe,

• Wakans – brak atomu w węźle sieci,

• Obcy atom w sieci,

• Atom międzywęzłowy.

• Defekt Schotky’ego – atom tworzy wakans i wywędrowuje na zewnątrz

• Defekt Frenkla – atom wtrącony jest tak duży, że powoduje rozsunięcie innych atomów na odległości większe, niż zwykle.

• Liniowe:

• Dyslokacja krawędziowa – wywołuje ją obecność dodatkowej półpłaszczyzny w sieci, powodującej wydłużenie się sieci:

• Dyslokacja śrubowa - wyznaczająca granicę między przesuniętą i nieprzesuniętą częścią kryształu. Granica ta przebiega równolegle do kierunku poślizgu a nie prostopadle, jak to ma miejsce w przypadku dyslokacji krawędziowej.

Alotropia – nazywamy występowanie tego samego pierwiastka lub związku w postaci dwóch lub kilku odmian krystalicznych, a odmiany te nazywamy alotropowymi. Przemiany alotropowe zachodzą przy stałych temperaturach i towarzyszy im wydzielanie lub pochłanianie utajonego ciepła przemiany (w zależności od kierunku jej zachodzenia). Najważniejszymi odmianami alotropowymi są odmiany alotropowe węgla:

• Diament – wiązania kowalencyjne, najtwardszy naturalny materiał, izolator.

• Grafit – płaskie pierścienie heksagonalne połączone kowalencyjnie, przewodnik elektryczny.

• Fuleren – każda cząsteczka zawiera parzystą liczbę atomów węgla i jego struktura składa się z 12 pierścieni pięciokątnych i m sześciokątnych m= (n-20)/2

1. Chemia organiczna, węglowodory, polimery, paliwa, izomeria.

Węglowodory:

• Najprostsze związki organiczne, zawierające tylko atomy węgla i wodoru.

• Jest ich bardzo dużo ze względu na mnogość sposobów łączenia się atomów węgla między sobą.

Dzielimy je na następujące grupy:

• Alifatyczne – łańcuchowe, nie zawierają pierścieni,

• Aromatyczne – zawierają pierścień benzenowy:

• Nasycone – alifatyczne, bez wiązań wielokrotnych,

• Nienasycone – zawierają przynajmniej jedno wiązanie wielokrotne.

Podstawowe nazwy:

1. Metan Alkany Cykloalkany

2. Etan

3. Propan

4. Butan

5. Pentan

6. Heksan

7. Heptan

8. Oktan

9. Nonan

10. Dekan

Alkeny Alkiny

Węglowodorami występującymi w przyrodzie są gaz ziemny, węgiel i ropa naftowa. Ich głównym wykorzystaniem jest pozyskiwanie z nich energii. Węgiel występuje w kilku rodzajach: torf, węgiel kamienny, węgiel brunatny, antracyt.

Gaz ziemny – jest mieszaniną lekkich alkanów, głównym jego składnikiem jest metan, następnie etan, propan, butan, mały odsetek wyższych alkanów i azot. Jest gazem kopalnianym pochodzenia organicznego, gromadzi się w skorupie ziemskiej, czasem występuje z ropą i naftą.

Torf – skała osadowa powstała z obumarłych szczątek roślinnych na terenach bagiennych. Pierwsza obumarła warstwa zostaje pochłonięta przez bagno i jest prasowana i pokrywana przez kolejne warstwy. Następnie po usunięciu większości tlenu powstaje torf.

Węgiel brunatny – efekt tej samej przemiany, co torf, po dłuższym okresie czasu. Zawartość węgla 62%-75%.

Węgiel kamienny – dalszy efekt. Od 75%-97%.

Antracyt – najsilniej przeobrażona postać węgla, najwyższa zawartość, największa kaloryczność, najtrudniejszy do wykopania.

Piroliza – proces rozkładu termicznego substancji, w którym poddaje się ją działaniu wysokich temperatur bez dostępu tlenu i innych czynników utleniających. Zwykle związki poddawane temu procesowi rozkładają się na mniejsze, o mniejszej masie cząsteczkowej.

Pirolizie poddaje się węgiel, wynikiem tego działania są(z jednej tony węgla):

• 330m³ gazu koksowniczego (20%),

• Koks 650kg (65%),

• Smoła węglowa 42kg (5%),

• Woda pogazowa (10%), wykorzystuje się ją do tworzenia nawozów.

Rafinacja – proces przekształcania ropy naftowej w bardziej użyteczne produkty, składa się ona z:

• Destylacji frakcyjnej – rozdzielenie składników ropy ze względu na ich temperatury wrzenia. Skrapla się po kolei odpowiednie składniki, utrzymując pozostałe w postaci gazowej.

• Krakingu – zrywanie wiązań między węglami, w tym procesie dłuższe łańcuchy alkanów rozpadają się na krótsze alkanów i alkenów. Przeprowadza się go z użyciem wysokiej temperatury, bądź katalizatora.

• Reforming – proces otrzymywania benzyny z lżejszych frakcji przez rozbicie prostych łańcuchów alkanów i przebudowanie ich w łańcuchy rozgałęzione.

• Frakcja – mieszanina cieczy o podobnych temperaturach wrzenia. Lekkie frakcje maja niskie temperatury wrzenia i krótkie łańcuchy węglowodorowe.

Składniki, jakie otrzymuje się z ropy naftowej to:

• Benzyna – ciekła frakcja ropy naftowej o temperaturze wrzenia 40°C-150°C. Składa się z alkanów zawierających 5-12 atomów węgla.

• Nafta – ciekła frakcja ropy naftowej powstała po destylacji frakcyjnej. Składa się z alkanów zawierających od 9 do 15 atomów węgla i wrze w przedziale temperatur 150°C – 250°C.

• On – ciekła frakcja ropy naftowej powstała po destylacji frakcyjnej. Składa się z alkanów zawierających od 12 do 25 atomów węgla i ma temperaturę wrzenia wyższą niż 250°C.

• Mazut – olej pozostały po destylacji frakcyjnej, składa się z łańcuchów zawierających nawet 40 atomów węgla, wrze w 350°C.

Inne rodzaje węgla:

• Węgiel drzewny – lekka czarna substancja wytwarzana w procesie suchej destylacji z drewna.

Izomery – związki o tym samym wzorze cząsteczkowym, lecz innym strukturalnym.

Polimery – związki o budowie łańcuchowej, których cząsteczki zbudowane są z połączonych ze sobą elementów, tzw. merów.

Homopolimer – polimer utworzony z jednego typu

Monomerów.

Kopolimer – polimer utworzony z dwóch lub więcej

Różnych monomerów.

1. Spektroskopia, absorpcja i emisja światła, zjawiska optyczne.

Spektroskopia – nauka o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływań wszelkich rodzajów promieniowania materię. Oddziaływania te powodują zmianę energii wewnętrznej ciała. Zgodnie z zasadą zachowania energii:

E –zmiana energii

h – stała Plancka

- częstotliwość

c – prędkość światła

λ – długość fali promieniowania.

Cząsteczka może przyjmować tylko ściśle określone poziomy energetyczne a ich zmiana związana jest z pochłanianiem lub emitowaniem danego kwantu (porcji) energii. Pochłanianie przez materię kwantu energii związane jest z absorpcją fali elektromagnetycznej. Oddanie zaabsorbowanej energii związane jest z emisją energii na dwa sposoby.

Ilościową miarą wielkości absorpcji jest są TRANSMITANCJA i ABSORBANCJA promieniowania.

Absorpcja – proces pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego. Absorbancja to część pochłoniętego promieniowania, a transmitancja część przepuszczonego.

Rozszczepienie światła białego – rozproszenie to jest związane z różną prędkością rozchodzenia się promieni świetlnych o różnych barwach. Fioletowy „najszybszy”, czerwony „najwolniejszy”. Powoduje to różny współczynnik załamania się światła i różnym kątem załamania.

Rozpraszanie światła – dzieli się na dwa rodzaje:

• Sprężyste – bez zmiany częstotliwości światła,

• Niesprężyste – ze zmianą częstotliwości światła.

Jest to zjawisko, w którym następuje zmiana kierunku rozchodzenia się światła. Związane jest z naturą falową światła. Fala świetlna elektromagnetyczna, oddziałuje z materią, która zostaje wzbudzona do drgań wypromieniowując falę świetlną rozproszoną.

Efekt Tyndalla – zjawisko rozpraszania światła przez koloid. Polega ono na przepuszczaniu przez roztwór koloidalny wiązki światła, która wskutek uginania się promieni na cząstkach fazy rozproszonej, staje się widoczna, jako tzw. stożek Tyndalla (światło w lesie przez drzewa).