Materia: gazy, ciecze, ciała stałe [bezpostaciowe (szkliste, osady), krystaliczne (molekularne, jonowe), inne (plazma-zjonizowany gaz, quasi obojętny; ciekłe kryształy; charakterystyczne cechy niektórych związków, a nie stany skupienia)].

Atom – w centralnej części atomu znajduje się dodatnio naładowane jądro składające się z protonów i neutronów, tworzących nukleony; jądro drga proporcjonalnie do temperatury; za zwartą budowę jądra odpowiadają siły jądrowe. Dookoła jądra w bardzo znacznej od niego odległości (względem wielkości elektronu) bezustannie i z ogromną prędkością krążą elektrony.

Między jądrem, a elektronem istnieje jakby wolna przestrzeń, tę pozornie pustą przestrzeń wypełnia chmura elektronowa i jej pole elektromagnetyczne; elektrony krążą z prędkością 6 mld okrążeń na mikrosekundę, w rezultacie w danej chwili elektron znajduje się wszędzie dookoła jądra i tworzy coś w rodzaju chmury elektryczności ujemnej.

Masa: neutron>proton~1836 elektronów

Neutron (n): składa się z dwóch kwarków dolnych (d ładunek -1/3e) i jednego górnego (u ładunek +2/3e) - ddu, zatem jego sumaryczny ładunek elektryczny wynosi 0, jego masa to 1,0087u.

Proton (p): cząstka elementarna posiadająca jednostkowy ładunek +1 oraz masę 1,0073u; dwa kwarki górne i jeden dolny (uud).

Elektron (e): ładunek -1, masa 1/1846u, praktycznie pozbawione masy, nie zbadano dotychczas jego wnętrza.

Leptony: grupa 12 cząstek elementarnych (6 cząstek i 6 antycząstek).

Gluon: bezmasowa cząstka elementarna pośrednicząca w oddziaływaniach silnych.

Kwark (q): cząstka elementarna, mająca ładunek koloru (czyli podlegająca oddziaływaniom silnym), kwarków jest 6 (dolny, górny, dziwny, itd.), dla każdego z nich istnieje antycząstka.

Teoria atomistyczno-cząsteczkowa:

*każdy pierwiastek chemiczny jest zbiorem atomów o takich samych właściwościach chemicznych;

*atom danego pierwiastka może ulec przekształceniu w atom innego pierwiastka na drodze reakcji jądrowych;

*łączenie się pierwiastków w związki chemiczne polega na łączeniu się atomów różnych pierwiastków w większe zespoły zwane cząsteczkami (zbiór atomów połączonych wiązaniami chemicznymi);

*atomy tego samego pierwiastka czasem muszą się połączyć w cząsteczki (np. O₂, H₂, gazy szlachetne – nie ma samego O!), inne natomiast nie tworzą cząsteczek-postać atomowa (Fe, Al);

*związek chemiczny jest zbiorem cząsteczek. Wszystkie cząsteczki danego związki chemicznego zawierają tę samą liczbę tych samych atomów i mają identyczne własności chemiczne.

_Z^AE

A – liczba masowa = nukleony (sumaryczna ilość protonów i neutronów)

Z – liczba atomowa = elektrony = protony

Z-A – neutrony

Atomy zawierają różne ilości protonów w jądrze, zatem charakteryzowane są prze inne liczby atomowe (Z). Wodór wg tej definicji nie jest pierwiastkiem (brak protonów = brak nukleonów – jedyny pierwiastek o okrągłym jądrze). Liczba protonów danego atomu zawsze odpowiada liczbie elektronów.

Powłoki elektronowe:

Elektrony krążące w tej samej odległości od jądra tworzą powłokę elektronową, na razie znanych jest 7 takich powłok (okresy w tablicy Mendelejewa), elektrony różnią się energią w zależności od powłoki.

Powłoki oznaczamy w kolejności od jądra: K, L, M, N, O, P, Q.

Sposób rozmieszczenia elektronów na powłokach nazywamy konfiguracją elektronową, maksymalna liczba elektronów na powłoce to: 2n² (n – numer powłoki).

Elektrony krążące po ostatniej powłoce nazywają się elektronami walencyjnymi i określają wartościowość pierwiastka (a także ilość wiązań). Elektrony utrzymują się na powłokach, dzięki równowadze sił odśrodkowych i elektrostatycznych.

Rozczepianie powłok na podpowłoki:

1. przyczyny: tylko w atomie wodoru mamy do czynienia z jednym elektronem. Atomy pozostałych pierwiastków posiadają więcej elektronów wywierających wzajemny wpływ na siebie. Skutkiem tego jest rozszczepienie powłok na podpowłoki.

2. skutki: w miarę przechodzenia do atomów o coraz większej liczbie atomowej podpowłoki są zajmowane w tej samej kolejności, według której wzrasta ich energia

3 powłoka=3 podpowłoki

4 powłoka=4 podpowłoki

4 powłoka=4 podpowłoki

Podpowłoki są zajmowane przez elektrony w tej samej kolejności wg której wzrasta ich energia konfiguracja elektronowa.

Podpowłoki (s, p, d, f,) dzielą się na orbitale schematycznie przedstawiane za pomocą klatek:

Na jednym orbitalu mogą znajdować się maksymalnie dwa elektrony o przeciwnych spinach.

Spin związany jest z wirowaniem elektronu wokół własnej osi (przykład). Wirowanie odbywa się zgodnie z ruchem wskazówek zegara (strzałka w górę ↑) lub przeciwnie do wskazówek zegara (strzałka w dół ↓). Elektrony o przeciwnych spinach tworzą parę: ↑↓ - sparowanie elektronów.

Elektrony w atomach podlegają regule Hunda i zakazowi Pauliego.

Reguła Hunda:

Kolejność obsadzania powłok, ilość niesparowanych elektronów powinna być jak największa na podpowłokach, np. w przypadku orbitalu d, na którym może zmieścić się 10 elektronów, pierwsze pięć elektronów będzie zajmowało kolejno wolne orbitale pozostając niesparowanymi, pary elektronów tworzą się dopiero po zapełnieniu wszystkich poziomów orbitalnych danej podpowłoki przez elektrony niesparowane, w poziomach orbitalnych danej podpowłoki mają one jednakową orientację spinu.

Zakaz Pauliego:

Na jednym orbitalu dwa elektrony muszą mieć przeciwną orientację spinu.

₁₁Na: 1s²2s²2p⁶3s¹ = [Ne]3s¹ (ostatni zapis - skrócony, zastępujący wewnętrzne powłoki i podpowłoki atomu sodu symbolem posiadającego tak zapełnione te powłoki i podpowłoki atomu helowca - w tym wypadku neonu) = 1-wartościowy, 1-wiązanie, 1-elektron walencyjny, 3-powłoki.

2-elektrony walencyjne, 2-wartościowy, 2-wiązania, 3-powłoki

2-elektrony niesparowane, 6-elektronów walencyjnych, 3-powłoki,

Reguła oktetu: atomy pierwiastków dążą do uzyskania konfiguracji elektronowej najbliżej położonego gazu szlachetnego w układzie okresowym pierwiastków, czyli do uzyskania układu oktetu (ośmiu) elektronów walencyjnych (z wyjątkiem dążenia do uzyskania konfiguracji helu, posiadającego jedynie dwa elektrony). Atomy osiągają to przez oddanie, przyjęcie lub uwspólnienie elektronów z innym atomem.

8 elektronów walencyjnych = słabo reaktywny, wszystkie elektrony sparowane i o tej samej energii (zapełnione podpowłoki s i p).

Graficzny zapis orbitalu:

Obrazem graficznym orbitalu jest fragment przestrzeni, w której prawdopodobieństwo znalezienia elektronu jest duże. Każdy orbital ma inny kształt i orientację przestrzenną a zajmujący go elektron charakteryzuje się inną energia.

orbitale typu s mają kształt kuli (sfery)

Istnieje znacznie większe prawdopodobieństwo spotkania elektronu wewnątrz tego orbitalu, niż na zewnątrz. Ale prawdopodobieństwo zajęcia orbitalu p_x, p_y lub p_z jest takie samo. Każda „ósemka” ma tę samą charakterystykę energetyczną; żadna z nich nie jest uprzywilejowana, prawdopodobieństwo obsadzenia każdej z nich przez elektron jest dokładnie takie samo. Takie orbitale nazywa się zdegenerowanymi. Orbital p jest trójkrotnie zdegenerowany, ze względu na równo cenność energetyczną orbitali p_x, p_y i p_z

Różnica pomiędzy 1s i 2s to różnica energii.

Zdegenerowany (3, 5, 7 równo cennych energetycznie położeń).

Tunelowanie elektronu – „teleportacja” z jednej strony jądra na drugą.

Układ okresowy pierwiastków:

*zestawienie wszystkich pierwiastków chemicznych w postaci rozbudowanej tabeli, uporządkowanie wg ich rosnącej liczby atomowej, grupujące pierwiastki wg ich cyklicznie powtarzających się podobieństw właściwości, zbiór naturalnie i sztucznie stworzonych pierwiastków;

*cykliczność właściwości chemicznych i fizycznych co 8 i 18 pierwiastków (okresy);

*grupy wypisuje się w kolumnach (8 grup głównych i 10 pobocznych)

*okresy w rzędach (7 okresów) – podział Nielsa Bohra;

*podział układu okresowego na bloki: s i p (grupy główne), d (grupy poboczne) oraz f (lantanowce i aktynowce).

• pierwsze dwie grupy główne (oprócz wodoru) grupują atomy o bardzo silnych własnościach metalicznych.

• grupy 15, 16 i 17 (grupy VA, VIA i VIIA) grupują atomy o mniej lub bardziej wyraźnych własnościach niemetalicznych.

• gazy szlachetne – 8 grupa główna.

• wszystkie atomy grup pobocznych, a także lantanowce i aktynowce to typowe metale.

Pierwiastki w jednym okresie = ta sama liczba powłok.

Ta sama grupa = ta sama ilość elektronów walencyjnych – podobne właściwości chemiczne.

Np. konfiguracja elektronowa pierwiastka:

• 4s²4p² - położenie w układzie: 4 okres – 4 grupa główna

• ₁₅P – zapełnione powłoki K i L, na powłoce M: 5 elektronów walencyjnych = 3 okres i 5 grupa główna.

• Azot 1s² 2s² 2p³ : 2 powłoki (1,2)=2okres, 5 e. walencyjnych=5 grupa główna; 3 elektrony w bloku p.

Gaz szlachetny: zapełniona ostatnia powłoka dwoma lub ośmioma elektronami (oktet), obojętny chemicznie – słabo reaguje; ochrona procesów (spawanie), lampy, balony, pozyskiwane z powietrza.

Metal szlachetny: odporny na korozję, platyna, złoto, srebro, rtęć.

Wodór: najmniejszy pierwiastek, trudny do przechowywania, pozyskiwany z powietrza, 3 izotopy (deuter, tryt-niestabilny).

Azot: zajmuje 78% powietrza, rozrzedza tlen, nie da się oddychać tylko azotem lub tlenem.

Tlen: występuje w cząsteczkach O₂ i O₃ (ozon).

Chlor: specyficzny zapach, stosowany w środkach czystości, właściwości bakteriobójcze i wybielające, niszczy tkaniny, używany do oczyszczania wody.

Ozon: uzdatnianie wody, nie działa wybielająco, nie szkodzi naszemu zdrowiu, używany zamiast chloru.

Aluminium (glin): bardzo plastyczny, szkodliwy-powoduje anemię i niedokrwistość, głównie występuje w stopach.

Sód, magnez, potas – w postaci jonowej (Plusz).

Miedź: przewody elektryczne, bardzo elastyczna, dobrze przewodzi prąd elektryczny (ale nie najlepiej, np. złoto-droższe).

Ołów: niska temperatura topnienia, szkodliwy, pociski, akumulatory.

Tytan: nieużywany w czystej postaci, bardzo odporny, implanty kostne, przemysł rakietowy i samochodowy.

Rtęć: żarówki energooszczędne, termometry, płynna; kuleczki, które uciekają (najbardziej energetycznie optymalny układ), szybko odparowywuje, dostaje się przez skórę, bardzo ciężka przez co nie może się wydostać z organizmu (rozcinanie jelit).

Lantanowce: pierwiastki ziem rzadkich, elektronika, papierowe pieniądze.

Aktynowce: pierwiastki radioaktywne.

Lantanowce, aktynowce: pierwiastki strategiczne, występują w postaci tlenków, ograniczenia kontrolowane przez służby specjalne, w Polsce 1 firma (mennica polska).

Masa atomowa pierwiastka – masa danego atomu w jednostkach masy atomowej (u=1,66*10^-24g). Masa nie jest liczbą całkowitą, a liczba masowa tak.

Duża część pierwiastków charakteryzuje się masami atomowymi będącymi liczbami niecałkowitymi, bierze się to z faktu występowania w przyrodzie izotopów (odmian pierwiastków, których jądra zawierają różne ilości neutronów), a masa atomowa jest średnią ważoną mas atomowych obu odmian izotopowych z uwzględnieniem ich rozpowszechnienia w przyrodzie; np. chlor występuje w dwóch odmianach izotopowych ³⁵Cl, ³⁷Cl (17 p i 17 e, ale 18 i 20 n). Zwykle wszystkie izotopy oznaczane są tym samym symbolem, za wyjątkiem wodoru.

Deuter (²H-D) – stabilny izotop wodoru, ciężka woda (D zamiast H) spowalniająca neutrony (elektrownie jądrowe).

Tryt (³H-T) – w minimalnych ilościach występuje w atmosferze, głównie pozyskiwany z reakcji jądrowych, używany jako wskaźnik izotopowy (wiek przedmiotów).

Ze względu na różnicę mas atomowych izotopy mają różne niektóre własności fizyczne, przy czym różnice te są tym większe, im większy jest rozrzut ich mas względem siebie. Różnice w masach atomowych izotopów powodują, że w formie czystej mają one inną gęstość, temperaturę wrzenia, topnienia i sublimacji.

Izotopy dzielą się na: trwałe i nietrwałe (promieniotwórcze).

Izotopy promieniotwórcze: samorzutnie ulegają przemianie na inne izotopy, zazwyczaj innego pierwiastka, wydzielając przy tym energię. Charakteryzuje je czas połowicznego rozpadu, tj. czas w którym zanika połowa jąder danego pierwiastka.

Substancje chemiczne proste (pierwiastki), złożone (związki chemiczne, mieszaniny).

Związek chemiczny – jednorodne połączenie co najmniej dwóch pierwiastków chemicznych za pomocą dowolnego wiązania chemicznego posiadające zerowy sumaryczny ładunek elektryczny, składniki można rozdzielić przy pomocy zewnętrznego czynnika, np. prądu.

Mieszanina – połączenie dwóch lub więcej pierwiastków albo związków chemicznych, które po zmieszaniu nadal wykazują swoje właściwości. Można stosunkowo łatwo rozdzielić metodami mechanicznymi lub fizycznymi (filtracja, ekstrakcja, sedymentacja, destylacja, krystalizacja.

występowania wiązania chemicznego = związek chemiczny

występowanie oddziaływań fizycznych = mieszanina

Mieszanina	Związek chemiczny
Powstaje przez zwykłe zmieszanie dwu lub większej liczby substancji	Powstaje w wyniku połączenia się różnych substancji prostych
Składniki zachowują swoje właściwości przed i po zmieszaniu	Ma inne właściwości niż składniki z których powstał
Można rozdzielić na składniki z wykorzystaniem różnic we właściwościach fizycznych poszczególnych składników	Można rozłożyć z wykorzystaniem bodźca zewnętrznego (temperatura, prąd, światło, itp.)

Filtracja – przynajmniej jedna substancja stała.

Ekstrakcja – dwie ciecze, dodajemy substancje, która zwiąże jeden składnik i uwidoczni się jako ciało stałe.

Sedymentacja – opadanie jednej substancji, która jest cięższa, niż ciecz w której się znajduje; dekantacja – zbieranie cieczy znad ciała stałego.

Destylacja – dotyczy cieczy, które dobrze się ze sobą mieszają; podgrzewanie-kontrolowanie temperatury(różnica w temp. wrzenia)-skraplanie gazu poprzez jego schłodzenie.

Krystalizacja – jeden ze składników ciekły, proces odparowania rozpuszczalnika, wytrącenie się jednego ze składników (zarodnikowanie).

Mieszaniny występują w trzech stanach skupienia: gazowym (powietrze), ciekłym (roztwór), stałym (stopy).

Mieszaniny jednorodne (homogeniczne – roztwory): sól i woda, alkohol i woda, powietrze, ropa naftowa; składniki nieodróżnialne wzrokiem, ani za pomocą mikroskopu, składniki tracą częściowo swoje właściwości fizyczne, mieszanina wykazuje nowe jednorodne w całej masie właściwości. Składniki można rozdzielić metodami fizykochemicznymi (destylacja, strącanie, odparowanie).

Mieszaniny niejednorodne (heterogeniczne): granit, piasek i woda, siarka i żelazo; składniki można rozróżnić gołym okiem lub pod mikroskopem, składniki zachowują swoje właściwości fizyczne (stan skupienia, rozmiary i postać ziaren).

Podział mieszanin: roztwory właściwe (jednorodne), koloidy i zawiesiny (niejednorodne).

Roztwór – mieszanina jednorodna składająca się z co najmniej dwóch składników: rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej. Rozróżniamy roztwory właściwe i koloidalne.

Rozpuszczanie – proces mieszania prowadzący do powstania roztworu.

Roztwór właściwy – układ jednofazowy, w którym cząstki substancji rozproszonej mają rozmiary nm.

Koloid – składa się z dwóch faz:

- ciągłej, czyli substancji rozpraszającej (ośrodek dyspersyjny);

- rozproszonej, czyli substancji zawieszonej (zdyspergowanej) w ośrodku dyspersyjnym i w nim nierozpuszczalnej.

Koloid to substancja stała w całej objętości dobrze wymieszana i zdyspergowana (rozmieszczona), rozmiary cząsteczek substancji rozproszonej mają wielkość 10nm-1μm.

Granica: koloid-mieszanina jeśli cząstki większe niż 1 μm to opadają (zależy także od gęstości).

Właściwości optyczne układów koloidalnych to zmętnienie i rozproszenie światła.

Efekt Tyndalla – zachodzi, gdy średnica cząsteczki jest w przybliżeniu równa długości fali elektromagnetycznej, wtedy światło widzialne (440 nm - 750 nm) zostaje rozproszone, powstaje stożek Tyndalla (mgła).

Agregacja – łączenie się cząsteczek, przez co opadają.

Rozpuszczalność zależy od: rodzaju rozpuszczalnika, substancji rozpuszczanej, ciśnienia i temperatury (roztwór nasycony i nienasycony). Niektóre substancje mieszają się ze sobą w nieograniczonym stopniu (np. alkohol etylowy i woda), dla innych rozpuszczalność w danym rozpuszczalniku jest ograniczona.

Gazy w cieczach: na ogół rozpuszczają się w niewielkich ilościach (pod normalnym ciśnieniem; z wyjątkiem tych, które wchodzą w reakcje chemiczne z cieczą, np. amoniaki i chlorowodór w wodzie), temp . rośnie, ilość gazu w cieczy maleje, mogą być usunięte z cieczy poprzez doprowadzenie jej do wrzenia. Ciśnienie rośnie, rozpuszczalność gazu też rośnie (nurek, choroba Kesonowa, za szybkie wydostawanie się powietrza przy szybkim wynurzaniu).

Cieczy w cieczach:

- nieograniczona (alkohol etylowy w wodzie);

- bardzo słaba (benzen i woda);

- zachodząca w ograniczonym stopniu, zależnie od temperatury (woda i eter).

W dwóch ostatnich ciecze tworzą dwie fazy. Na ogół T rośnie, to rozpuszczalność też rośnie. Kontrakcja objętości – zmiana objętości roztworu na skute reakcji chemicznej lub oddziaływań między cząsteczkowych.

Ciał stałych w cieczach: zależy od rozpuszczalnika i temperatury, krzywe rozpuszczalności.

Stężenie – skład roztworu, wyrażone za pomocą zawartości substancji rozpuszczonej w określonej ilości rozpuszczalnika.

*procentowe c_p – liczba gramów substancji rozpuszczonej, zawartej w 100g roztworu

*molowe c_m - liczba moli substancji rozpuszczonej w 1 dm³ roztworu

C_m =n/V [mol/dm³] 1 mol = 6,023*10²³

Wiązania chemiczne – oddziaływania powodujące, że atomy łączą się w cząsteczki, by mogły zajść potrzebne są oddziaływania fizyczne: siły Van der Wallsa i wiązania wodorowe.

Proces powstawania cząsteczki jest korzystny energetycznie, prowadzi do zmniejszenia energii układu, utworzona cząsteczka jest trwalsza niż poszczególne atomy. Wiązania tworzą elektrony walencyjne, przy czym cząsteczki powstają jedynie wówczas, gdy w wyniku reakcji każdy atom osiąga trwałą konfigurację elektronową.

Najtrwalsze konfiguracje elektronowe mają atomy gazów szlachetnych (8 elektronów na powłoce walencyjnej) – pierwiastki bierne chemicznie.

Cząsteczki dążą do wypełnienia powłoki walencyjnej, czyli obsadzenia jej 8 elektronami (reguła oktetu), gdy pierwiastek nie osiągnie oktetu wiązanie nie może powstać, za wyjątkiem H, He, Li, Be.

Atomy mogą osiągać trwałą konfigurację elektronową przez oddawanie, przyłączanie lub uwspólnienie elektronów.

Elektroujemność – chęć pierwiastka do przyciągania elektronów, im bardziej chce przyciągać, tym bardziej jest elektroujemny.

Jon – atom, który pozyskał elektron.

Wiązanie jonowe – powstaje, gdy występuje duża różnica elektroujemności pomiędzy pierwiastkami, następuje wtedy „przesunięcie” elektronów w stronę atomu bardziej elektroujemnego, który staje się anionem(-), natomiast atom oddający elektrony staje się kationem(+).Siłą, która utrzymuje dwa atomy ze sobą jest siłą przyciągania elektrostatycznego (brak kierunkowości).

Łączenie się pierwiastków z I i VII oraz II i VI grupy głównej.

Cechy związków z przewaga wiązania jonowego:

• ciała w stanie stałym,

• zbudowane z kationów i anionów, przyciągających się ze stosunkowo dużą siłą,

• twarde kryształy o wysokiej temperaturze topnienia i wrzenia,

• rozpuszczają się dobrze w rozpuszczalnikach polarnych (woda),

• w stanie stopionym lub w roztworze dobrze przewodzą prąd elektryczny (nośnikiem ładunków są ruchliwe jony),

• ich reakcje zachodzą stosunkowo szybko.

Wiązanie kowalencyjne (atomowe): jest wynikiem uwspólnienia pary elektronowej, zachodzi przy równej lub prawie równej elektroujemności obu pierwiastków, mogą powstawać także wiązania podwójne i potrójne(N:..:N).

Wiązanie koordynacyjne – uwspólniona para elektronów pochodzi od jednego pierwiastka.

Cechy związków z przewaga wiązania kowalencyjnego:

• ich cząsteczki słabo na siebie oddziałują;

• nie przewodzą prądu;

• słabo rozpuszczają się w wodzie i innych rozpuszczalnikach polarnych;

• dość niskie temperatury wrzenia i topnienia.

Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane: pośrednie pomiędzy jonowym a kowalencyjnym. Nieduża różnica elektroujemności, uwspólniona para elektronów przesunięta jest w stronę pierwiastka bardziej ujemnego, np. HCl (wiązanie 80% atomowe i 20% jonowe); cząsteczki związku z nierównomiernym rozmieszczeniem ładunków tworzą dipole (cząsteczki dwubiegunowe.

Wiązanie metaliczne: wszystkie atomy biorą udział w wiązaniu, elektrony walencyjne mogą się swobodnie przemieszczać, brak kierunkowości wiązania.

Materiały z przewagą wiązania metalicznego:

• dobrze przewodzą prąd (pasmo przewodnictwa;

• połysk metaliczny;

• przewodzą ciepło;

• kowalne, ciągliwe, plastyczne;

• różnorodne temperatury topnienia oraz twardości.

Oddziaływania fizyczne:

1. wiązanie wodorowe – dwie cząsteczki/jony są połączone jonem wodorowym;

2. van der Waalsa (międzycząsteczkowe) – występuje między wszystkimi cząsteczkami, związane z przyciąganiem się dipoli, odpowiedzialne za właściwości fizyczne substancji (stan skupienia, temp. przejść fazowych).

Hybrydyzacja: proces tworzenia się nowych, jednakowych i odpowiednio ukierunkowanych orbitali atomowych z kombinacji orbitali s, p czy d.

Hybrydyzacja sp³ – wymieszanie się orbitalu s z trzema p, struktura tetraedryczna, metan CH₄

Hybrydyzacja sp² – wymieszanie się orbitalu s z dwoma p, struktura płaska, trygonalna, eten C₂H₄

Hybrydyzacja sp – wymieszanie się orbitalu s z p, struktura liniowa, etyn C₂H₂.

Elementy krystalografii:

Kryształ – ciało posiadające trójwymiarowe periodyczne uporządkowanie atomów, jonów lub molekuł z których jest zbudowany. Kryształy wykazują anizotropię (różne właściwości fizyczne w zależności od kierunku ich badania – wytrzymałość mechaniczna, współczynnik załamania światła, sprężystości, przewodnictwo elektryczne i cieplne.

Ciało bezpostaciowe (amorficzne) – niewykazujące uporządkowania dalekiego zasięgu-lokalne uporządkowanie, są izotropowe (we wszystkich kierunkach mają identyczne właściwości mechaniczne, optyczne i elektryczne, podobnie jak w gazach i cieczach), szkło, polimery, smoła.

Monokryształ – materiał będący w całości jednym kryształem, np. kryształ cukru, soli.

Polikryształ – ciało stałe będące zlepkiem wielu monokryształów, zwanych ziarnami, np. stopy metali.

Bardzo często mamy do czynienia z substancjami polikrystalicznymi, rzadko z monokryształami.

Kryształ można sobie wyobrazić jako powtarzające się w przestrzeni, identyczne bryły geometryczne – komórki elementarne.

Komórka elementarna jest to najmniejsza jednostka, z której można zbudować kryształ, poprzez jej powielanie w trzech prostopadłych kierunkach, przez co tworzy się symetryczna sieć przestrzenna. Komórka elementarna ma zawsze kształt równoległościanu.

Komórkę elementarna określa się za pomocą parametrów sieciowych (a, b, c, α, β, γ).

Istnieje 7 struktur krystalograficznych (m. in. regularna, tetragonalna, heksagonalna).

Poza parametrami sieciowymi strukturę krystalograficzną charakteryzują:

• liczba koordynacyjna – liczba najbliższych sąsiadów;

• odległość między najbliższymi atomami w krysztale;

• liczba atomów w komórce elementarnej;

• współczynnik upakowania – stosunek objętości atomów kryształu do całkowitej jego objętości.

Rodzaje komórek elementarnych:

- prosta – atomy w narożach;

- centrowanie przestrzennie – atom w środku;

- płasko centrowane – atom na środku każdej ściany i podstaw;

- o centrowanych podstawach – atomy na środku podstaw.

Istnieje 14 rodzajów komórek odpowiadających 14 rodzajom sieci Bravais.

Translacja – kopiowanie i przesuwanie komórek elementarnych o wielokrotności wektorów sieci krystalicznej w wyniku czego powstaje cała sieć krystaliczna kryształu.

Klasyfikacja kryształów ze względu na rodzaj sił wiążących: cząsteczkowe, jonowe, kowalencyjne, metaliczne – oznacza to, że w węzłach znajdują się albo cząsteczki, albo jony, albo atomy.

Cząsteczkowe – siły van der Waalsa i dipolowe, niskie temperatury topnienia, zwykle miękkie (słabe oddziaływania), złe przewodniki, występuje w związkach organicznych, fosfor, dwutlenek węgla.

Jonowe – utworzone z jonów dodatnich i ujemnych-siły elektrostatyczne, głównie I i VII grupa główna KCl, twarde, wysokie temp. topnienia, złe przewodniki ciepła i prądu.

Kowalencyjne – wiązania atomowe, atomy przyjmują konfigurację odpowiedniego gazu szlachetnego, poprzez uwspólnienie elektronów, np. diament (C w każdym narożu czworościanu), twarde, niepodatne na odkształcenia, izolatory w niskich temp., przewodniki w wyższych temp. (wystarczająca energia drgań do zerwania niektórych wiązań).

Metaliczne – wszystkie elektrony walencyjne poruszają się swobodnie w całej objętości kryształu-gaz elektronowy, plastyczne, dobrze przewodzą prąd i ciepło, łatwość zamiany atomów (stopy), nieprzezroczyste.

Typ	Jednostki strukturalne	Wiązanie	Właściwości	Przykłady
JONOWY	Kationy i aniony	Elektrostatyczne, niekierunkowe	Twarde kruche, wysoka t.t, izolatory, stopione przewodzą	Halogenki alkaliczne np.. NaCl
KOWALENCYJNY	atomy	kowalencyjne	Bardzo twarde, wysokie t.t, izolatory	Diament, krzem
MOLEKULARNY	cząsteczki	kowalencyjne wewnątrz cząsteczek, wodorowe i van der Waalsa pomiędzy	Miękkie, niskie t.t, duży współczynnik rozszerzalności termicznej	Lód, związki organiczne
METALICZNY	atomy metalu	metaliczne	W stanie czystym – miękkie, wytrzymałość zależy od defektów, przewodniki	Glin, cyna, miedź, żelazo

Defekty struktury:

1. punktowe: wakans (brak atomu w węźle), obcy atom w pozycji węzłowej lub międzywęzłowej (atomy o małych średnicach);

2. liniowe: dyslokacje krawędziowe (ektrapłaszczyna), dyslokacje śrubowe (przesunięcia płaszczyzn kryształu względem siebie).

Alotropia (polimorfizm) – występowanie tego samego pierwiastka lub związku w postaci dwóch lub kilku odmian krystalicznych (odmian alotropowych). Przemiany alotropowe zachodzą przy stałych temp. i towarzyszy im wydzielanie lub pochłanianie utajonego ciepła przemiany, np. węgiel (diament, grafit i fulereny), żelazo (o sieci przestrzennie centrowanej α i δ oraz regularnej ściennie centrowanej γ).

Diament – najtwardszy naturalny materiał, tetraedr, wiązanie kowalencyjne, sp3.

Grafit – wiązanie kowalencyjne, płaskie pierścienie heksagonalne, przewodnik elektryczny, mała gęstość, pomiędzy płaszczyznami słabe oddziaływania van der Waalsa.

Fuleren – każda cząsteczka zawiera parzysta liczbę atomów węgla: 12 pierścieni 5-kątnych i reszty sześciokątnych, np. C₆₀.

Gazy – substancje, które nie mają określonego kształtu ani objętości, lecz przyjmują kształt i objętość zbiornika w którym się znajdują. Zbiór cząsteczek/atomów pozostających w ciągłym ruchu o szybkości proporcjonalnej do temp. Gazy wywierają ciśnienie na ścianki zbiornika dążąc do zajęcia największej objętości: jednoatomowe (helowce), dwuatomowe (H₂, O₂), nieorganiczne, (CO, CO₂), organiczne (metan, propan).

Ciśnienie gazu – wynik uderzeń cząsteczek o stałą pow. =siła uderzeń/pole pow. [Pa, bar, atm].

Prawo Avogadra – przy stałym P i T dana liczba cząsteczek gazu zajmuje jednakową objętość.

Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, rzeczywiste gazy zachowują się jak doskonałe przy niskim ciśnieniu.

Dyfuzja – proces rozprzestrzeniania się cząsteczek w danym ośrodku, będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą i cząsteczkami otaczającego ją środka.

Ciecze – zachowują własną objętość, ale przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują. Wykazują znaczną, w porównaniu z gazami, gęstość i lepkość, niewielką ściśliwość i rozszerzalność cieplną.

Gęstość – ilość cząsteczek w danej objętości.

Lepkość – opór przeciwdziałający jej płynięciu spowodowany oddziaływaniami międzycząsteczkowymi (van der Waalsa, wodorowe), gdy są duże, lepkość także rośnie. Malej wraz ze wzrostem temperatury-olej na patelni.

Napięcie powierzchniowe – powierzchnia cieczy jest gładka przez siły międzycząsteczkowe wciągające cząsteczki do wewnątrz, napięcie określa działającą na jej powierzchnię siłę.

Menisk – wklęsły, wypukły, górny i dolny, lepsza zwilżalność (zmywanie naczyń), związek powierzchniowo czynny (mydło, proszek do prania), woskowanie auta (samo czyszczenie).

Ciała stałe – mają określony kształt i objętość, charakteryzują się sztywnością, a ich gęstość w dużo mniejszym stopniu zależy od P i T: krystaliczne i bezpostaciowe (amorficzne).

Ciekłe kryształy – substancje, które wykazują płynność lepkich cieczy, lecz występuje w nich pewne uporządkowanie.

A1 – regularna płasko centrowana

A2 – regularna przestrzennie centrowana

A3 – heksagonalna zwarta

Metale właściwości: połysk, kowalność, ciągliwość, przewodnictwo elektryczne.

Nośniki ładunku: elektrony(metale), jony (elektrolity).

Opór elektryczny – miara zdolności substancji do przewodzenia elektryczności, im mniejszy opór, tym lepiej substancja przewodzi prąd:

• izolatory – kompozyty, drewno, szkło;

• przewodniki metaliczne – metale, rtęć też;

• nadprzewodniki – przewodzi bez oporu elektrycznego w bardzo niskich temperaturach: rtęć (-250°C), stosowane do lewitujących pociągów-chłodzenie ciekłym helem i azotem;

• półprzewodniki.

Teoria pasmowa: dozwolone są tylko poziomy energetyczne (pasma) o określonej energii, poziomy te to pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa, oddzielone są przez pasmo wzbronione.

Półprzewodnik samoistny – monokryształ półprzewodnika pozbawionego defektów sieci krystalicznej i domieszek, czyli nie zawierający obcych atomów w sieci krystalicznej

Półprzewodnik typu n – półprzewodnik, w którym elektryczność jest przenoszona poprzez przeskakiwanie wypychanych elektronów (nadmiar elektronów.

Półprzewodnik typu p – półprzewodnik, w którym elektryczność jest przenoszona przez przeskakiwanie w wolne miejsca elektronów (niedomiar elektronów).

Nadmiar/niedomiar elektronów powodowany jest poprzez wprowadzenie domieszki z co najmniej 5 elektronami (n) i nie więcej niż 3 (p).

Stopy – mieszaniny, w których jednym ze składników jest metal: heterogeniczne (wielofazowe-lut, cyna ołów), homogeniczne (jednofazowe-mosiądz, brąz); substytucyjne (Cr w Fe), międzywęzłowe (C w Fe). Stopy metali wykazują na ogół większą twardość i mniejszą przewodność elektryczną niż czyste metale.

Stal – stop żelaza z węglem( max. 2%), więcej się nie zmieści pomiędzy węzłami; powyżej powstają płaszczyzny poślizgu („tłusta” sadza), 2,5% - powstają węgliki.

Węglowodory – najprostsze związki organiczne, zawierające tylko atomy węgla i wodoru:

• alifatyczne (łańcuchowe),

• aromatyczne (zawierają pierścień benzenowy),

• nasycone – alifatyczne bez wiązań wielokrotnych –an (propan, butan… C_nH_2n+2);

• alkany o strukturze pierścieniowej, cyklopropan, C_nH_2n;

• nienasycone – zawierają jedno lub więcej wiązań podwójnych lub potrójnych końcówka –en / -yn:

-alkeny (jedno wiązanie podwójne, meten, C_nH_2n);

-alkiny (jedno wiązanie potrójne, metyn, C_nH_2n-2);

• areny – węglowodory aromatyczne, benzen

Węglowodory w przyrodzie: gaz ziemny, węgiel, ropa naftowa.

Gaz ziemny:

Mieszanina lekkich alkanów, głównym składnikiem jest metan (50-98%), a poza tym etan, propan, butan, wyższe alkany i azot. Paliwo kopalne pochodzenia organicznego, gaz zbierający się w skorupie ziemskiej w pokładach wypełniających przestrzenie, niekiedy pod wysokim ciśnieniem. Pokłady gazu ziemnego występują samodzielnie lub towarzyszą złożom ropy naftowej lub węgla kamiennego.

Węgiel: antracyt, kamienny, brunatny, torf

• Węgiel kamienny - skała osadowa pochodzenia roślinnego, zawierająca 75-97% pierwiastka węgla, powstała ze szczątków roślinnych, które bez dostępu tlenu uległy uwęgleniu. Ma czarną barwę, matowy połysk. Węgiel kamienny stosowany jest powszechnie jako paliwo.

• Antracyt - jest to najsilniej przeobrażona odmiana węgla kamiennego, charakteryzująca się największą zawartością węgla, a co za tym idzie najwyższą wartością energetyczną ze spalania.

• Węgiel brunatny to skała osadowa pochodzenia organicznego roślinnego powstała ze szczątków roślin obumarłych bez dostępu powietrza. Zawartość węgla 62-75%. Często stosowany jako paliwo. Węgiel brunatny jest nieodnawialnym źródłem energii.

• Torf – skała osadowa powstała w wyniku zachodzących w szczególnych warunkach przemian obumarłych szczątków roślinnych. Szczątki drzew, żyjących przed setkami i tysiącami lat, pochłonięte zostały przez bagna, tworząc powłokę, która pod naporem kolejnych warstw osadów stopniowo została sprasowana. Po usunięciu tlenu, powstał torf. W wyniku kolejnych procesów - ciśnienia nadległych warstw osadów oraz pozbycia się resztek tlenu, po upływie milionów lat, torf zamienia się w węgiel brunatny i następnie w węgiel kamienny.

Piroliza (inaczej destylacja rozkładowa) proces rozkładu termicznego substancji prowadzony poprzez poddawanie ich działaniu wysokiej temperatury, ale bez kontaktu z tlenem i innymi czynnikami utleniającymi.

Ropa naftowa:

Mieszanina węglowodorów, palna, duża lepkość, praktycznie wszystkie węglowodory, oprócz gazów (metan, etan); pozostałość do 20% stanowią związki organiczne zawierające tlen, azot, siarkę a także sole nieorganiczne i wodę.

Parafiny (węglowodory): 5C< gazy, 6-16C ciecze, 17C> ciała stałe umownie.

Rafinacja – procesy przekształcające ropę naftową w bardziej użyteczne produkty – destylacja frakcyjna, kraking, reforming.

Destylacja frakcyjna– rozdzielenie ropy na frakcje wg ich temperatur wrzenia (kondensacja wrzącej ropy na odpowiednich półkach – skroplenie).

Frakcja – mieszanina cieczy o podobnych temperaturach wrzenia. Lekkie frakcje mają niskie temp. wrzenia i krótkie łańcuchy węglowodorowe.

Kraking – reakcja rozpadu dłuższych łańcuchów alkanów na krótsze alkany i alkeny. Kraking następuje na skutek działania wysokiej temperatury lub katalizatora.

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

Katalizator – obniża energię aktywacji-temperaturę.

Inhibitor – przeciwieństwo katalizatora.

Benzyna – ciekła frakcja ropy naftowej powstała po destylacji frakcyjnej. Składa się z alkanów zawierających 5-12C, wrze w przedziale temp. 40-150°C. Liczba oktanowa-określa odporność benzyny na detonacje (dawniej od 0-100, teraz 125) i jest podnoszona przez dodatek substancji przeciwstukowych.

Nafta – 9-15C 150-250°C, ciekła frakcja, rozpuszczalnik do farb, smarów, dodawana do silników odrzutowych.

ON – 12-25C powyżej 250°C, ciekła frakcja, w niskich temp. zwiększa się lepkość, potrzebne świece do rozgrzania.

Mazut – olej pozostały po destylacji frakcyjnej, do 40C, powyżej 350°C, olej smarowy, parafina (biała-węglowodory oczyszczone, by mogły się palić bez zanieczyszczeń), bitumin (smołowata maź, bardzo wysoka temp. wrzenia, wykorzystywany do produkcji asfaltu, niska temp. topnienia)

Izomery - związki o tym samym wzorze cząsteczkowym, lecz różnym uporządkowaniu atomów w przestrzeni

Polimery – związki o budowie łańcuchowej których cząsteczki zbudowane są z połączonych ze sobą powtarzających się elementów (merów). Cząsteczki są bardzo długie i mają duże masy cząsteczkowe. Występują naturalnie (białka) jak i sztucznie, nie przewodzą prądu. Tworzy się poprzez reakcje polimeryzacji (łączenie się monomerów bez produktów ubocznych etylenpolietylen, nazwa mówi z czego powstał), polikondensacji (pozbycie się cieczy, np. wody z monomerów).

Sieciowanie polimerów – proces prowadzący do powstania trójwymiarowej sieci polimerów, na skutek powstawania mostków między ich łańcuchami.

Wulkanizacja – sieciowanie cząsteczek polimerów prowadzący do otrzymania gumy-ogrzewanie kauczuku z dodatkiem ok. 3% siarki (wypełniaczem i utwardzaczem jest sadza-opony)

Polimery naturalne – kauczuk naturalny, wielocukry (skrobia, celuloza), polipeptydy (białka), DNA.

Właściwości polimerów: topią się z zakresie temperatur (nie mają jednej temp. topnienia), polimery o długich łańcuchach mają zwykle dużą lepkość, ich wytrzymałość wzrasta ze wzrostem długości łańcuchów.

Spektroskopia – nauka o generowaniu widma elektromagnetycznego i jego oddziaływania na materię. Oddziaływania te powodują zmianę energii wewnętrznej zgodnie z zasadą zachowania energii wyrażonej wzorem E=hc/λ

Absorpcja – pochłanianie przez materie kwantu energii.

Emisja – oddawanie zaabsorbowanej energii (bezpromienisty-ciepło, promienisty).

Widmo elektromagnetyczne: gammarentgenowskieultrafioletwidmo widzialne(niebieski zielony żółty czerwony)podczerwieńmikrofaletelewizjaradiodźwięk

Rozszczepienie światła białego - spowodowane jest różną prędkością rozchodzenia się promieni świetlnych o różnych barwach. Różna prędkość rozchodzenia się światła owocuje oczywiście różnym współczynnikiem załamania światła (pryzmat, tęcza, akwarium).

Rozpraszanie światła – efekt Tyndalla – w koloidach, np. kurz w powietrzu, mgła.

Załamanie światła – zachodzi przy dwóch ośrodkach przezroczystych różniących się gęstością, np. łyżeczka w szklance z wodą.

Odbicie światła – dwa ośrodki, jeden nieprzezroczysty, kąt padania równy kątowi odbicia.