KOLOKWIUM CHEMIA

1. Budowa materii, atomu, pierwiastki (Z, A),konfiguracja elektronowa, orbitale

Atom składa się z jądra atomowego i krążących wokół elektronów.

- W jądrze tym są protony i neutrony.

-Ładunek wytwarza pole, tym większe im większy jest ładunek.

- Prawie cała masa skupiona jest w jądrze.

-Atomy tego samego pierwiastka mają takie same własności, nie ulegają przekształceniu na drodze zwykłej reakcji, atomy tego samego pierwiastka mogą łączyć się w cząsteczki.

Pojęcia :

Kwark – najmniejszy element protonu i neutronu
( jest ich 6 – prawdziwy, górny, dolny, powabny, dziwny, piękny)

Kwark nie ma koloru, ponieważ jako cząstka elementarna nie oddziałuje ze światłem.

Proton-(+) ładunek elektryczny znajdujący się na całej powierzchni, wewnątrz są kwarki różniące się między sobą, tworzą grupy cząstek różniących się właściwościami. Liczba protonów= liczbie elektronów.

Neutron- nie posiada ładunku

Nukleon – proton + neutron

Elektron- (-) :

- porusza się wokół jądra na dwa sposoby jednocześnie ( wokół własnej osi i wokół jądra)

- znajduje się w ogromnej odległości od jądra

-jest sferą, czyli ujemną chmurą ładunku elektrycznego

- elektron i jądro nie przyciągają się, ponieważ siły elektrostatyczne ,,wypychane są’’ przez siłę dośrodkową

- między jądrem a elektronami istnieje wolna przestrzeń, którą wypełnia chmura elektronowa i jej pole elektromagnetyczne

- prędkość elektronu – ok.6 mld okrążeń na mikrosekundę

- elektrony krążące w tej samej odległości of jądra tworzą powłokę elektronową (powłok tych jest 7)

- energia postaje podczas przeskakiwania z powłoki na powłokę (podczas ,,skoku’’ powstaje jeden kwant energii )

Liczba atomowa Z – liczba protonów, które znajdują się w jądrze atomowym pierwiastka (oraz elektronów)

Liczba masowa A – liczba protonów i neutronów (nukleonów) w jądrze

KONFIGURACJA ELEKTRONOWA – sposób rozmieszczenia elektronów na powłokach

( powłoki zaznaczamy w kolejności od jądra, 2n² - wzór na maksymalną liczbę elektronów na powłoce, n – numer powłoki)

Podpowłoki są zajmowane w tej samej kolejności, według której wzrasta ich energia.

1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d,4p,5s,4d,5p,6s,4f,5d,6p,7s,5f,6d

Elektrony walencyjne - to elektrony krążące na ostatniej powłoce elektronowej atomu. Elektrony walencyjne określają wartościowość danego pierwiastka.

Wartościowość - zaś, to liczba wiązań chemicznych w cząsteczce. Pierwiastki o tej samej wartościowości mają podobne właściwości chemiczne.

Spin elektronu – obrót elektronu wokół własnej osi, właściwość kwantowa, właściwość elektronu, moment pędu elektronu, jest wektorem, przyjmuje wartości połówkowe dla elektronu +0.5 (elektron ↑) i –0.5 (elektron ↓).

Orbital – funkcja stosowana do opisu stanu jednego lub dwóch elektronów. Każdy orbital jest wyrażony symbolicznie kwadratem, w którym jest miejsce na dwa elektrony: jeden ze zwrotem dodatnim i drugi ze zwrotem ujemnym.

Obszarem graficznym orbitalu jest fragment przestrzeni, w której prawdopodobieństwo elektronów jest największe. Orbital s ma kształt sferyczny. Orbital p ma kształt trójwymiarowej ósemki, jest trzykrotnie zdegenerowany. Na każdej powłoce jest równe prawdopodobieństwo znalezienia elektronów.

Orbitale zdegenerowane - orbitale o jednakowej energii, posiadające taką samą charakterystykę energetyczną, prawdopodobieństwo osadzenia sie na każdym z nich elektronu jest dokładnie takie samo.

Reguła Hunda – na wszystkich orbitalach oprócz s kolejność zapełniania klatek jest ściśle określona.

Zakaz Pauliego – w jednej klatce nie może być 2 elektronów o tej samej energii, mogą znajdować się dwa elektrony, lecz o przeciwnym spinie.

1. Układ okresowy, struktura, grupy pierwiastków, izotopy.

Układ okresowy pierwiastków jest to zestawienie (wszystkich) pierwiastków chemicznych w postaci rozbudowanej tabeli, uporządkowane są według ich rosnącej liczby atomowej, grupującej pierwiastki według ich cyklicznie powtarzających się podobieństw właściwości.

Masa atomowa – masa atomu. Zwykle skrótowo określa się tak względną masę atomową, wyrażana jest w unitach.

1u = 1,66·10⁻²⁴ g – 1/12 masy jednego atomu węgla izotopu ¹²C.

Masa atomowa zależy od izotopów danego pierwiastka i jego rozprzestrzenienia (średnia ważona mas atomowych odmian

izotropowych z uwzględnieniem ich rozpowszechniania w przyrodzie).

Izotopy – odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu. Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową, ale mają tę samą liczbę atomową.

Izotopy, ze względu na stabilność, dzieli się na:

1. trwałe (nie ulegające samorzutnej przemianie na izotopy tego samego lub innych pierwiastków),

2. nietrwałe, zwane izotopami promieniotwórczymi – ulegające samorzutnej przemianie na inne izotopy, zazwyczaj innego pierwiastka.

Wodór ma trzy naturalne izotopy:

1. prot: 1H – ma jeden proton i nie ma neutronów; trwały,

2. deuter: 2H (D) – ma jeden proton i jeden neutron; trwały, fuzja deuteru i trytu – bomba wodorowa,

3. tryt: 3H (T) – ma jeden proton i dwa neutrony; nietrwały, do określania wieku przedmiotów, wina; podświetlenia zegarków

Zastosowanie izotopów: czujniki przeciwpożarowe ²⁴³Am, energetyka jądrowa ²³⁵U 1g daje energię =2,7t węgla kamiennego; geologia, archeologia – badanie wieku obiektów

Izotopy promieniotwórcze – atomy, których jądra są niestabilne i samorzutnie ulegają przemianie promieniotwórczej, dając w wyniku tego inne atomy (cząstki elementarne) oraz wydzielając energię w postaci promieniowania gamma i energii kinetycznej produktów przemiany.

Czas połowicznego rozpadu (zaniku) (okres połowicznego rozpadu) - czas, w ciągu którego liczba nietrwałych obiektów lub stanów zmniejsza się o połowę. Czas ten, oznaczany symbolem T_1/2, zgodnie z definicją musi spełniać zależność:

gdzie

N(t) – liczba obiektów pozostałych po czasie t,

N₀ – początkowa liczba obiektów.

Naturalne radionuklidy syntezowane są w gwiazdach, szczególnie podczas wybuchów supernowych. Niektóre z nich (np. uran) posiadają wystarczająco długi okres półtrwania, aby nie ulegały one samorzutnemu rozpadowi w ciągu miliardów lat. Niektóre izotopy (np. ¹⁴C) są tworzone podczas zderzeń wysokoenergetycznych cząstek pochodzących z kosmosu z budulcami atmosfery ziemskiej.

Sztuczne radionuklidy są wytwarzane przez człowieka głównie w reaktorach jądrowych oraz akceleratorach.

1. Roztwory, mieszaniny, stężenia

Związki chemiczne – jednorodne połączenia, co najmniej 2 pierwiastków chemicznych za pomocą dowolnego wiązania chemicznego posiadające zerowy sumaryczny ładunek elektryczny.

Mieszanina – połączenie dwóch lub więcej pierwiastków albo związków chemicznych, które po zmieszaniu nadal wykazują swoje właściwości.

Mieszaniny można zazwyczaj stosunkowo łatwo rozdzielić różnymi metodami mechanicznymi lub fizycznymi; takimi jak filtracja, ekstrakcja, sedymentacja, destylacja, krystalizacja, dekantacja itp.

Mieszanina :

-Powstaje przez zwykłe zmieszanie dwu lub większej liczby substancji o
-Składniki zachowują swoje właściwości po zmieszaniu o

- Można rozdzielić na składniki z wykorzystaniem różnic we właściwościach fizycznych poszczególnych składników

Związek chemiczny

- Powstaje w wyniku połączenia się różnych substancji prostych

- Ma inne właściwości niż składniki, z których powstał

- Można rozłożyć go z wykorzystaniem bodźca zewnętrznego (temperatura, prąd, światło itp.)

Mieszaniny niejednorodne – takie, których składniki można odróżnić gołym okiem lub z użyciem mikroskopu

Mieszaniny jednorodne – takie, których składników nie można wyodrębnić nawet za pomocą mikroskopu

- Mieszanina gazowa -> powietrze

-Mieszanina ciekła -> roztwór

-Mieszanina stała -> stop

Mieszaniny chemiczne:

Jednorodne = homogeniczne (roztwory)

-Sól i woda

-Alkohol i woda

-Stopy metali

-Powietrze

Niejednorodne = heterogeniczne

-Piasek i woda

-Sól i siarka

-Siarka i żelazo

- Granit

Koloidy – cząstki substancji rozproszonej maja rozmiary większe od cząstek rozpuszczalnika (>10nm)

Roztwory koloidalne – mieszaniny niejednorodne, a nie roztwory

Układ koloidalny:

Faza ciągła – substancja rozpraszająca (ośrodek dyspersyjny)

Faza rozproszona – substancja zawieszona (zdyspergowana) w ośrodku dyspersyjnym i w nim nierozpuszczona

Do właściwości optycznych układów koloidalnych zalicza się:

1.Rozpraszanie światła

2. Zmętnienie roztworu

Ruchy Browna, Efekt Tyndalla

Zjawisko polega na ciągłych chaotycznych ruchach postępowych, obrotowych i drgających, fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym.

Podział koloidów ze względu na stan skupienia:

Ośrodek rozpraszający	Substancja rozproszona	Przykład
Gaz	Ciesz	Mgła, chmury
Gaz	Ciało stałe	Dym, kurz
Ciecz	Gaz	Piana
Ciecz	Ciecz	Mleko
Ciało stałe	Gaz	Pumeks

Zawiesina – mieszanina (niejednorodna) ciało stałe – ciecz, w którym cząstki fazy rozproszonej mają średnicę powyżej 1 mikrometra. W zależności od średnicy, cząstki te mogą być widoczne pod mikroskopem i ulegać sedymentacji w ziemskim polu grawitacyjnym. Składniki zawiesiny można rozdzielić na sączku z bibuły filtracyjnej.

Roztwór – mieszanina jednorodna składająca się, z co najmniej dwóch składników: rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej

Rozpuszczanie – proces mieszania prowadzący do powstania roztworu. W procesie rozpuszczania cząsteczki substancji rozpuszczanej są otaczane przez cząsteczki rozpuszczalnika. Proces ten nazywa się solwatacją. Jeżeli rozpuszczalnikiem jest woda to proces ten nazywa się hydratacją.

Roztwór właściwy – układ jednofazowy, w którym cząstki substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika są porównywalnych wielkości ( ok. 10⁻¹⁰ - 10⁻⁹ *m+), czyli są to mieszaniny o rozdrobnieniu atomowym. Optycznie są jednorodne.  Roztwór nasycony – roztwór, w którym w danej temperaturze nie można już rozpuści więcej danej substancji

Roztwór nienasycony – roztwór, w którym w danej temperaturze można jeszcze rozpuścić pewną ilość substancji

Rozpuszczalność:

- Maksymalna ilość gramów substancji, którą można rozpuścić w 100g rozpuszczalnika w danej temperaturze aby otrzymać roztwór nasycony o -Zależy od rodzaju rozpuszczalnika i substancji rozpuszczonej, ciśnienia i temperatury.

Rozpuszczalność gazów w cieczach :

o Ze wzrostem temperatury rozpuszczalność gazów maleje i mogą one być usunięte z roztworu wodnego poprzez doprowadzenie go do wrzenia. Gazy na ogół rozpuszczają się w cieczach w niewielkich ilościach (pod normlanym ciśnieniem), z wyjątkiem tych, które wchodzą w reakcje chemiczne z cieczą, np. amoniak i chlorowodór w wodzie .

Rozpuszczalność cieczy w cieczach:

a) nieograniczona (alkohol etylowy + woda)

b) Bardzo słaba (praktycznie brak rozpuszczalności, benzen + woda)

c) zachodząca w ograniczonym stopniu, zależnym od temperatury (woda+ eter)

W przypadkach b i c ciecze tworzą dwie odrębne fazy. Rozpuszczalność wzajemna cieczy zależy od temperatury, na ogół wzrasta ze wzrostem temperatury.

Rozpuszczalność ciał stałych w cieczach zależy od:

-Rodzaju rozpuszczalnika

-Temperatury

Rozpuszczalność ciał stałych w cieczach określa się liczbą gramów substancji rozpuszczonej w roztworze nasyconym, sporządzonym ze 100 g rozpuszczalnika.

Skład roztworu określa się ilościowo za pomocą wielkości zwanej stężeniem:

1. Procentowe – liczba gram substancji rozpuszczonej zawartej w 100g roztworu, czyli procent wagowy substancji w stosunku do masy roztworu (stal – maks do 2% węgla) b) Molowe – liczba moli substancji rozpuszczonej w 1dm³ roztworu

2. Molowe – liczba moli substancji rozpuszczonej w 1dm³ roztworu

1. Wiązania chemiczne, mechanizm

Typ	Jednostki strukturalne	Wiązanie	Właściwości	Przykłady
Jonowy	Kationy i aniony	Elektrostatyczne	Twarde ,kruche, wysoka temperatura topnienia, izolatory, stopione przewodzą	Halogenki alkaiczne
Kowalencyjny	Atomy	Kowalencyjne	Bardzo twarde, wysoka temperatura topnienia	Diament, krzem
Molekularny	Cząsteczki	Kowalencyjne wewnątrz cząsteczek Wodorowe i van der Waalsa pomiędzy	Miękkie, niska temp. topnienia, duży współczynnik rozszerzalności termicznej	Lód, związki organiczne
Metaliczny	Atomy metalu	metaliczne	W stanie czystym-miękkie, wytrzymałość zależy od defektów, przwodniki	Glin, cyna , miedź

Reguła oktetu - mówi o tym, że atomy pierwiastków dążą do tego, aby mieć taką konfigurację elektronową, jak najbliższy im w układzie okresowym gaz szlachetny (czyli mieć osiem elektronów walencyjnych). Atomy osiągają to przez oddanie, przyjęcie lub uwspólnienie elektronów z innym atomem. Np. atom magnezu (metal) oddaje 2 elektrony i staje się dodatnim jonem magnezu.

Wiązanie chemiczne - łączenie się atomów pierwiastków, reagujące atomy muszą zderzać się ze sobą w sposób efektywny.

Wiązanie jonowe -pomiędzy atomami różniącymi się znacznie elektroujemnością, czyli wiązanie pomiędzy atomami metali i niemetali. Atom o większej elektroujemności przyciąga elektrony atomu o mniejszej elektroujemności. Atom przechwytujący elektrony staje się anionem, a atom oddający elektrony kationem. Jest to przyciąganie elektrostatyczne różnoimiennie naładowanych jonów. Przykładem jest wiązanie pomiędzy tlenem i magnezem w tlenku magnezu. Oba atomy uzyskują wtedy konfigurację elektronową najbliższego helowca.

4. Wiązanie kowalencyjne. Dzielą się na wiązania kowalencyjne atomowe i wiązania kowalencyjne spolaryzowane.

Spolaryzowane wiązania kowalencyjne występują pomiędzy atomami różnych niemetali (np. HCl), atomy tych niemetali mają zbliżoną, ale nie identyczną elektroujemność, a para elektronowa połączona tym wiązaniem nie ma równomiernego rozłożenia, ale bliżej pierwiastka o wyższej elektroujemności. Cechami są np. stały stan skupienia czy stosunkowo szybko zachodzące reakcje.

Atomowe wiązania kowalencyjne występują pomiędzy atomami tych samych niemetali o wysokiej i jednakowej elektroujemności (np. O2). Każdy atom dostarcza jeden elektron. Cechami są np. słabe oddziaływanie na siebie atomów czy stosunkowo wolno zachodzące reakcje.

Wiązanie metaliczne- szczególny rodzaj wiązania między elektrododatnimi metalami, a elektronami, na które oddziałują atomy sąsiednich pierwiastków. Elektrony (tzw. zdelokalizowane) mogą się swobodnie poruszać i nie mają ustalonego kierunku. Taki materiał jest dobrym przewodnikiem ciepła i prądu. Przykładem może być kryształ sodu.

Wiązanie wodorowe - słabe wiązanie chemiczne, polegające na przyciąganiu elektrostatycznym między atomem wodoru a atomem elektroujemnym. Ma duży wpływ na właściwości związków, występuje np. w białkach i kwasach nukleinowych.

Oddziaływania van der Waalsa - słabe oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami niepolarnymi, ma mały zasięg. Są one częściowo odpowiedzialne za stan skupienia materii. Przykładem są oddziaływania między warstwami sieci krystalicznej grafitu.

Wiązanie pi –p owstaje przez boczne nałożenie się na siebie dwóch orbitali p. Wiązania pi występują w wiązaniach wielokrotnych (dwa lub więcej), a najbardziej prawdopodobne miejsce do znalezienia elektronów to powyżej i poniżej osi łączącej atomy. Wiązanie pi jest słabsze od wiązania sigma.

Wiązanie sigma - powstaje przez czołowe nałożenie się na siebie orbitali s. A najprawdopodobniejsze miejsce znajdowania się elektronu to oś łącząca oba atomy.

1. Stany skupienia materii, wielkości i prawa

Stany skupienia materii: 3 – stały, ciekły i gazowy + inne (plazma, ciekłe kryształy)

Ciała stałe:

Bezpostaciowe: (amorficzne) – zwykłe szkło 

-Szkliste 

Osady 

Krystaliczne: - diament, szkło kwarcowe, metale ( nie wszystkie, np. rtęd to ciecz), stopy

- Molekularne

- Jonowe

Plazma – była w kosmosie dopiero później na Ziemi

Ciecze – gęstość, lepkość, napięcie powierzchniowe, zwilżalność. Adhezja, kohezja.

Ciecze – oddziaływania międzycząsteczkowe większe niż w gazach, są nieściśliwe, zajmują objętość, przyjmują kształt naczynia.

Solwatacja – otaczanie substancji rozpuszczanej przez rozpuszczalnik.

Mieszanina ma dowolne proporcje, związek chemiczny ma określone proporcje.

Mieszaniny:

1. Jednorodne (roztwory)

2. Niejednorodne

1. koloid

2. zawiesina

Gęstość $d = \frac{m}{V}$

Lepkość - właściwość płynów charakteryzująca ich tarcie wewnętrzne wynikające z przesuwania się względem siebie warstw płynu podczas przepływu

Napięcie powierzchniowe – nadaje kształt przepływającemu płynowi

Siły międzycząsteczkowe- to siły występujące między cząsteczkami. Mogą to być siły spójności (kohezji), czyli siły występujące między cząsteczkami tego samego rodzaju, lub siły przylegania (adhezji) - występujące między cząstkami różnego rodzaju.

Kohezja – siła wypadkowa, skierowana w głąb cieczy, działa prostopadle do jej powierzchni i usiłuje zmniejszyć swobodną powierzchnię cieczy

Adhezja – (siły adhezji) pomiędzy cząsteczkami cieczy i ciała stałego

Miarą zwilżalności jest kąt zetknięcia się fazy stałej i ciekłej – kąt zwilżenia. Jeśli adhezja < kohezja menisk wypukły, jeśli odwrotnie to menisk wklęsły.

Ciekły kryształ posiada swobodę translacyjną, jest anizotropowy.

Gaz– gaz doskonały, zależności pomiędzy parametrami p V i T dla gazu doskonałego, Prawo Daltona, Równanie gazu doskonałego, Prawo Avogadro, gaz doskonały a gaz rzeczywisty

Gaz doskonały – abstrakcyjny, matematyczny model gazu, spełniający

warunki:

1. Ilość molekuł, z których składa się gaz jest bardzo duża

2. Cząsteczki traktowane są jak punkty materialne

3. Cząsteczki poza momentami zderzeń nie oddziałują za sobą. Zderzają się doskonale sprężyście.

4. Cząsteczki gazu znajdują się w ciągłym chaotycznym ruchu. Poza momentami zderzeń ruch cząsteczek jest jednostajny prostoliniowy.

Równanie gazu doskonałego pV=nRT – równanie Clapeyrona

R=8,31$\frac{J}{\text{mol} \bullet K}$ – stała gazowa, p – ciśnienie, V – objętość, T – temperatura w kelwinach, n – liczba moli,

1 mol to ilość substancji, która składa się z N_A = 6,02 ⋅10²³ cząsteczek (liczba Avogadro)

Prawo Daltona - Ciśnienie mieszaniny gazów. Całkowite ciśnienie mieszaniny gazów jest równe sumie ciśnień cząstkowych poszczególnych składników.

Ciśnieniem cząstkowym (parcjalnym) nazywamy ciśnienie danego składnika gazu jakie ten składnik wywierałby na ścianki zbiornika gdyby zajmował całą jego objętość w danej temperaturze.

Prawo Boyle’a – przedstawia przemianę izotermiczną.

Prawo Charlesa – przedstawia przemianę izochoryczną.

Prawo Lussaca – przedstawia przemianę izobaryczną.

Prawo Avogadro – w tych samych warunkach fizycznych tj. w takiej samej temperaturze i pod takim samym ciśnieniem, w równych objętościach różnych gazów znajduje się taka sama liczba cząsteczek. W warunkach normalnych jeden mol dowolnego gazu zajmuje objętość około 22,4 dm³.

Gaz rzeczywisty. Aby gaz rzeczywisty był doskonały musi być niskie ciśnienie i wysoka temperatura. Gaz rzeczywisty van der Waalsa (p + poprawka)(V – poprawka)=nRT

Ciała stałe krystaliczne i amorficzne, przykłady, charakterystyka

Kryształ – ciało stałe fizycznie i chemicznie jednorodne i anizotropowe, posiadające 3 wymiary, periodyczne uporządkowanie atomów, jonów lub molekuł. Każdy kryształ zbudowany jest z wielu powtarzających się tzw. komórek elementarnych. W zależności od jej rodzaju kryształy tworzą różne układy krystalograficzne.

Ciała amorficzne – nie mają budowy krystalicznej, ciała bezpostaciowe, nie mają określonej temperatury topnienia (brak ostrych przejść fazowych), ,,ciecz przechłodzona’’, ,, ciecz o ogromnej lepkości’’, chłodzenie jest nagłe i na uporządkowanie cząsteczek nie ma czasu, żadne ciało nie jest 100% amorficzne – lokalne domeny krystaliczne

Monokryształ – materiał będący w całości jednym kryształem, uporządkowanie w całej objętości kryształu

Polikryształ – ciało będące zlepkiem wielu monokryształów, zwanych ziarnami, uporządkowane tylko wew. pewnych obszarów (ziaren).

Kryształy jonowe – NaCl, C, MgS

Kryształy kowalencyjne – diament, grafit, krzemionka

Kryształy naturalne – szmaragd, diament, piryt, rubin i szafir Al₂O₃ (rubin czerwony, szafir niebieski, zależy od zanieczyszczeń).

Ciała amorficzne – szkło, opal, bursztyn, obsydian, smoła

1. Teoria Pasmowa, stopy

Teoria pasmowa ciał stałych –charakteryzuje przewodniki za pomocą pasma energetycznego, czyli przedziału energii, jaką mogą posiadać elektrony w przewodniku. Na przykład w przewodnikach pasmo przewodnictwa jest nieprzerwane, w półprzewodnikach przerwa, w której nie mogą znaleźć się elektrony jest na tyle wąska, że niektóre z elektronów mogą ją ‘przeskoczyć’ a w izolatorach jest na tyle duża, że elektrony praktycznie nie są w stanie jej przekroczyć.

Stop metaliczny - to mieszanina metali, mająca właściwości metaliczne, w której występuje metal i co najmniej jeden dodatkowy składnik (zwykle dodawany, aby zwiększyć wytrzymałość). Przykładem jest stal lub brąz. 9) Stop Mieszaniny - dwóch lub większej ilości metali.

Podział:

-homogeniczne (jednofazowe) – atomy różnych metali są rozmieszczone równomiernie (np. mosiądz, brąz)

- heterogeniczne (wielofazowe) – mieszaniny obszarów krystalicznych o różnym składzie (np. lut)

Skład typowych stopów:

a) mosiądz – do 40% cynku w miedzi

b) brąz – metal inny niż cynk i nikiel w miedzi

c) lut – cyna – ołów

d) stal – stop żelaza z węglem (mniej niż 2%)

Stopy zazwyczaj wykazują na ogół większą twardość i mniejszą przesadną elektryczność niż czyste metale

1. Krystalografia, alotropia

Krystalografia – bada, opisuje i klasyfikuje kryształy i substancje o strukturze krystalicznej.

Anizotropia - cecha charakterystyczna niektórych ciał, głównie krystalicznych, polegająca na tym, że wykazują one różne właściwości fizyczne w zależności od kierunku, w którym się je bada. Przeciwieństwem anizotropii jest izotropia.

Izotropia - charakterystyczna cecha ciał, głównie niekrystalicznych, polegająca na tym, że we wszystkich kierunkach wykazują one te same właściwości fizyczne. Przeciwieństwem izotropii jest anizotropia.

Komórka elementarna- to, w krystalografii, najmniejsza i powtarzalna część struktury kryształu. Ma kształt równoległościanu i jest symetryczna, czyli jej odbicie względem osi symetrii pokrywa się z drugą częścią.

Sieć przestrzenna - to sposób, w jaki wypełniona jest przestrzeń atomami. Polega na tym, że pewna konfiguracja atomów, czyli komórka elementarna, jest powtarzalna.

Układy krystalograficzne

Regularny

Tetragonalny

Heksagonalny

Trygonalny

Jednoskośny

Trójskośny

Rombowy

Układ tetragonalny - układ krystalograficzny, w którym trzy osie są w stosunku do siebie prostopadłe, dwie z nich mają taką samą długość i leżą w jednej płaszczyźnie, a trzecia oś (oś główna) jest od nich dłuższa lub krótsza.

Centrowanie komórek elementarnych (rodzaje):

a) bez centrowania – atomy znajdują się tylko w rogach komórki

b) ściennie – atomy znajdują się zarówno w rogach, jak i na ścianach komórki elementarnej

c) w podstawach – atomy znajdują się w rogach i podstawach komórki elementarnej

d) przestrzennie – atomy znajdują się w rogach i w środku komórki elementarnej

Elementy symetrii:

a. punkt, środek symetrii – punkt położony wewnątrz kryształu, który ma tę własność, że na dowolnej prostej przeprowadzonej przez ten punkt, w jednakowej od niego odległości, znajdują się jednakowe pod względem geometrycznym i fizycznym punkty kryształu.

b. płaszczyzna symetrii – płaszczyzny dzielące kryształ na dwie części pozostające względem siebie w takim stosunku jak przedmiot do swego obrazu w zwierciadle płaskim.

c. oś obrotu symetrii – prosta, wokół której powtarzają się jednakowe części kryształu, przy czym te części mogą się powtarzać co kąt α = 60°, 90°, 120°, 180°, 360°, liczbę n = 360/α nazywa się odwrotnością osi symetrii; w kryształach możliwe są osie jedno-, dwu-, cztero-, sześciokrotne.

Kryształy cząsteczkowe

- Pojedyncze cząsteczki utrzymywane w wyniku oddziaływania (van der Waalsa i dipolowego)

-Ponieważ całkowite oddziaływanie między cząsteczkowe w zasadzie jest słabe kryształy cząsteczkowe mają niskie temp. topnienia

- Są zwykle dosyć miękkie, bo cząsteczki łatwo mogą być przemieszczane z jednego położenia w inne

- Są złymi przewodnikami elektryczności, ponieważ elektron związany z jedną cząsteczką z trudem przeskakuje do innej.

-Ten typ kryształu występuje częściej w związkach organicznych.

Defekty punktowe sieci krystalograficznej - to naturalne błędy występujące w regularności sieci przestrzennej kryształów. Np. luki czyli brak atomu w miejscu, w którym powinien się znajdować wg regularności sieci przestrzennej.

- Wakans (luka) – brak atomu w węźle sieci przestrzennej

- Obcy atom w sieci krystalicznej

-Atom wtrącony międzywęzłowo

- Defekt Frenkla – atom wtrącony powoduje rozsunięcie sąsiednich atomów na odległość większą od normalnej 

-Defekt Schottky’ego – polega na powstaniu wakansu i wywędrowaniu atomu, który ten wakans utworzył na powierzchnię kryształu (powszechny w kryształach metali)

Polimorfizm - inaczej wielopostaciowość, polega na tym, że występują różne odmiany krystalograficzne tej samej substancji chemicznej, np. węgiel występuje w postaci między innymi diamentu i grafitu.

Alotropia - zjawisko występowania, w tym samym stanie skupienia, różnych odmian tego samego pierwiastka chemicznego różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany alotropowe pierwiastka mogą różnić się między sobą strukturą krystaliczną lub liczbą atomów w cząsteczce.

Odmiany alotropowe węgla:

- Grafit – ciemnoszara, miękka substancja, przewodząca prąd elektryczny, odporna na działanie wysokiej temperatury, np. w ołówkach.

- Diament – przezroczysty, krystaliczny, ciało stałe, izolator, jest najtwardszym naturalnym minerałem, jest bezbarwny, ale z domieszkami mogą występować zabarwione odmiany (np. błękitny, żółty a nawet czarny). W diamencie każdy atom węgla jest połączony z czterema sąsiednimi, jest gęstszy od grafitu.

- Fuleren – posiadają zawsze parzystą liczbę atomów węgla, mają symetryczną strukturę, różnią się od diamentów i grafitu budową sieci krystalicznej i właściwościami.

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

Chemia organiczna – chemia związków węgla, dział chemii zajmujący się węglowodorami i ich pochodnych

Węglowodory – organiczne związki chemiczne zawierające tylko atomy węgla i wodoru. Są podstawowym składnikiem ropy naftowej i innych paliw np. gaz ziemny, węgiel kopalny.

C ma zawsze cztery wiązania – jest czterowartościowy (opcje: 4xpojedyńcze; 1xpodwójne, 2xpojedyńcze; 1xpotrójne, 1pojedyńcze; 2xpodwójne)

H ma zawsze jedno wiązanie

O ma zawsze dwa wiązania

Wzór strukturalny uproszczony i rozszerzony, wzór cząsteczkowy (sumaryczny)

Związki węgla podział:

Alkany – nasycone, inaczej PARAFINY

(metan, etan, propan, butan, pentan, heksan, heptan, oktan, nonan, dekan)

Wzór: C_nH_n+2, końcówka –an

Pentan – ma 3 izomery tzn. związki chemiczne o tym samym wzorze sumarycznym, lecz różnym wzorze strukturalnym.

Dwa izomery są cieczami, jeden gazem. Mają różną temperaturę wrzenia. Bardzo rozgałęzione, o strukturze przypominającej kulę, mają niższe temperatury wrzenia niż ich odpowiedniki liniowe.

Dygresja: ilość elektronów, a stan skupienia. Fluorowce, im więcej powłok to więcej elektronów, wzrastają wtedy oddziaływania cząsteczkowe (van der Waalsa). Fluor i chlor to gazy, brom to ciecz, a jod to ciało stałe.

Izomery – dla 4C – 2, 5C – 3, 6C – 5

Właściwości:

1-4C – gazy, 5-17C – ciecze, 18 i więcej – c. stałe

Metan, etan – lżejsze od powietrza; propan, butan – cięższe od powietrza

Ciecze – rozpuszczalniki niepolarne, nierozpuszczalne w wodzie

Wiązanie C-C trwałe wiązanie kowalencyjne.

Mało reaktywne, reakcje wymagają wysokiej temperatury i ciśnienia.

Spalanie całkowite do CO₂, półspalanie do CO, niecałkowite do C.

Np. CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

Poddają się halogenowaniu – reakcja chemiczna polegająca na addycji, substytucji lub przegrupowaniu atomów pierwiastków z grupy fluorowców (halogenów)

Np. CH₄ + Cl₂ = CH₃Cl + HCl

Poddają się krakingowi (pirolizie) – rozkład długich cząsteczek węglowodorowych na mniejsze cząsteczki w 400-600 (katalizator)

Zastosowanie:

1. Gazowe – gaz ziemny, paliwo LPG, ogrzewanie mieszkań, kuchenki gazowe

2. Płynne – paliwo (benzyna, olej napędowy), rozpuszczalniki do farb, oleje

3. Stałe – świece, smary, pasty do podłóg

Bena 6-10C, ON 11-18C

Cykloalkan – związek chemiczny zbudowany z nasyconego łańcucha węglowodorowego tworzącego pierścień.

Wzór: C_nH_2n dla n=3,4 ...

Są stabilne dopiero od cyklopentanu. Cykloalkany posiadają podobne własności chemiczne do alkanów niecyklicznych, z wyjątkiem cyklopropanu i cyklobutanu. Cyklopropan i cyklobutan nie występują naturalnie.

Alkeny – nienasycone, inaczej OLEFINY, końcówka: -en

Węglowodory nienasycone jest ich mało w przyrodzie, wytworzone zazwyczaj sztucznie.

Wzór: C_nH_2n dla n=2,3 …

Mają dużo większą aktywność chemiczne z powodu obecności podwójnego wiązania.

Mają więcej izomerów niż alkany, właściwości jakościowo podobne do alkanów.

Poddają się reakcji przyłączania – Cl₂, HCl, H₂O, H₂

Reakcja polimeryzacji – tylko alkeny i alkiny. Reakcja, w wyniku której związki chemiczne o małej masie cząsteczkowej zwane monomerami reagują same ze sobą w wyniku czego powstają cząsteczki o wielokrotnie większej masie cząsteczkowej od substratów, tworząc polimer.

Polimeryzacja etylenu

Efen = etylen, najpopularniejszy alken, jest hormonem roślinnym stymulującym dojrzewanie, zielone banany + C₂H₄ = żółte banany

Układ wiązań między atomami węgla – na przemian podwójne i pojedyncze ...–C=C–C=C–C=... – umożliwia elektronom poruszanie wzdłuż łańcucha powodując przepływ prądu elektrycznego.

Alkiny – nienasycone, wiązanie potrójne, końcówka: -yn

Wzór: C_nH_2n-2 n=2,3 …

Najprostszy alkin – etyn (acetylen) – do spawania i cięcia materiałów, trzeba spalać w tlenie ( palny na powietrzu spala się do sadzy, a w czystym tlenie do CO₂), lżejszy od powietrza, dobrze rozpuszcza się w acetonie,

Alkiny nie rozpuszczają się w wodzie, poddają się reakcji addycji z fluorowcami, ulega polimeryzacji.

Węglowodory arom. - ARENY

WWA – wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne są śmiertelnie rakotwórcze, powodują nowotwory i mutacje DNA

Wiązania są zdelokalizowane.

Areny – cykliczne węglowodory, w których istnieją wiązania wielokrotne, czyli zamknięty układ naprzemiennie położonych wiązań podwójnych i pojedynczych między atomami węgla

Cząsteczki węglowodorów aromatycznych takich jak benzen są płaskie. Mają możliwość wślizgiwania się między nukleotydy DNA, co nadaje im właściwości rakotwórcze.

Benzen – bezbarwna ciecz, rozpuszczalnik sub. niepolarnych. Toksyczny, rakotwórczy, wykazuje działanie narkotyczne. Spala się kopcącym płomieniem. Benzen jest trwały chemicznie nie wykazuje łatwości do addycji. Ulega natomiast dość łatwo substytucji.

Naftalen - Pył i pary naftalenu tworzą mieszaniny wybuchowe z powietrzem, jest substancją nierozpuszczalną w wodzie, dobrze rozpuszcza się w etanolu. Tworzy pochodne nitrowe.

Areny tworzą pochodne różne, trotyl – pochodna nitrowa, zastosowanie w lekach np. aspiryna.

1. Naturalne źródła węglowodorów: Węgle kopalne, gaz ziemny, ropa naftowa, Ropa naftowa i jej przerób, produkty przerobu ropy naftowej- charakterystyka

Źródła: gaz ziemny, ropa naftowa, węgle kopalne. Powstały z rozkładu materii organicznej. Gaz ziemny jest najbardziej przeobrażona materią org. CH₄. Zastosowanie głównie jako paliwa. Węgiel brunatny płyciej niż kamienny.

Gaz ziemny – mieszanina lekkich alkanów, głównie metanu (50-98%), pozostałe etan, propan, butan a także nieraz siarkowodór.

Metan jest najbardziej ekologiczny, bo stosunek wodoru do węgla jest najmniejsza, podczas spalania metanu – produkuje się najmniej CO₂

CNG – compressed natural gas, LNG – liquefied natural gas

Gaz łupkowy to teoretycznie gaz ziemny, tylko, że gromadzą się w innych miejscach pod ziemią. Gaz ziemny gromadzi się pod skałami nieprzepuszczalnymi ok. 1km, natomiast gaz łupkowy w skałach macierzystych ok. 4km.

Gaz wysypiskowy – rodzaj biogazu, wydziela się z rozkładu śmieci, wydziela się metan.

Węgiel kopalny – najmniej przeobrażona materia org.

Miliony lat + skały osadowe + obumarłe szczątki zwierząt i roślin = węgiel kopalny

Najpłycej torf, później w. brunatny, w. kamienny, antracyt (90-97% czystego węgla) najbardziej pożądany.

Węgiel kamienny – 75-97%C, czarna barwa, matowy 14-28MJ/kg

Węgiel brunatny – 62-75%C, duża wilgoć, 8-21MJ/kg

Torf – stosowany jako nawóz, rzadziej jako opał

Przeróbka węgli kopalnych – piroliza (sucha destylacja – rozkład termiczny 1000°C, nie może być kontaktu O₂ bo spali się węgiel), produkty : gaz koksowniczy (H₂, CO, N₂, CH₄, H₂S), woda pogazowa (amoniak, sole amonowe, sub. smoliste), koks.

Ropa naftowa - ciekła kopalina, mieszanina niejednorodna z gazem i substancjami stałymi, zbudowana głównie z alkanów i cykloalkanów, węglowodory nienasycone praktycznie nie występują + domieszki N₂, O₂, S i zanieczyszczenia. Głównym składnikiem są alkany o prostym łańcuchu, a także są tam węglowodory aromatyczne.

Ropa naftowa która posiada mało siarki – słodka, jeśli siarki więcej niż 5% - kwaśna. Im mniej tym lepiej. Mniejsza gęstość bardziej pożądana bo ropa bardziej przeobrażona. Skład zależy od pochodzenia.

Przygotowanie ropy do przeróbki, oczyszczenie z rozpuszczonych gazów (etan, propan, butan), usunięcie zanieczyszczeń mechanicznie, usuwanie wody wraz z rozpuszczonymi w niej solami.

Wstępnie przygotowana ropę naftową poddaje się następnie obróbce w rafineriach.

1. Destylacja frakcyjna – rozdzielenie ropy na frakcje wg ich T_wrzenia

Frakcje – mieszaniny cieczy o podobnych temp. wrzenia. Lekkie frakcje mają niskie temp. wrzenia i krótkie łań. węglowodorowe.

Destylacja atmosferyczna, a później pod zmniejszonym ciśnieniem.

Ropa jest pompowana do kolumny, ropa jest podgrzewana do 350°C, im wyżej tym temperatura niższa, tym mniej skomplikowane węglowodory, krótsze łańcuchy. Dane frakcje zbierają się na półkach kondensacyjnych, skąd są zbierane.

1. Pierwszą frakcją są gazy rafineryjne – propan i butan

2. eter naftowy – pentan, heksan

3. frakcje benzyn (lekka – lotnicza, ciężka – samochodowa, lakowa – rozpuszczalnik do lakierów)

4. Nafta – paliwo odrzutowe

5. Olej napędowy

Pozostałość z kolumny wprowadza się do kolumny o niższym ciśnieniu, temperatura nadal 350°C. Mazut – mieszanina węglowodorów, które mają temp. wrzenia większą niż 350°C.

Destylaty z kolumny próżniowej:

1. Lekki olej

2. Średni olej

3. Ciężki olej

4. Pozostałość – Gudron – używane do pap asfaltów

Frakcje benzyn. Benzyna – ciecz, lotna, łatwopalna. Składa się z alkanów od 5 do 12 atomów węgla, nierozpuszczalna w wodzie. Zastosowanie: rozpuszczalnik, paliwo. Źródło: ropa naftowa a) ilość benzyny otrzymywana w procesie destylacji ropy jest niewielka b) ilość oktanowa benzyny z procesu destylacji jest zbyt niska.

Liczba oktanowa – odporność na samozapłon/spalanie detonacyjne. W autach musi być bena o wysokiej liczbie oktanowej. Liczba oktanowa może być większa niż 100.

Izooktan – nie ma stuku, wzorzec, dobrze się spala, n-heptan – ma lokalne samozapłony.

Paliwa o zadanej liczbie oktanowej można zrobić stosując metody:

1. Przez dodawanie sub. przeciwstukowych

2. Technologiczne (reforming)

Rozgałęzione węglowodory spalają się źle – powodują stuki/lokalne detonacje.

Zwiększenie liczby oktanowej – dodatki przeciwstukowe – poprawiają odporność na spalanie detonacyjne a) kiedyś Pb(C₂H₅)₄ – tani, z 60 do 96, b) obecnie – alkohole i estry

1. Reforming katalityczny (technologiczne poprawianie l.oktanowej) – wysokotemp. ogrzewanie lekkich frakcji ropy naftowej pod zwiększonym ciśnieniem, w celu otrzymania paliw o dużej liczbie oktanowej. Katalizatorem jest platyna. Reakcji reformingu n-heptanu, w wyniku którego otrzymuje się 2,2,3-trimetylobutan.

reforming przeprowadzany w obecności katalizatora platynowego, w temperaturze ok. 450 -550 ºC i pod ciśnieniem ok. 50 atmosfer. Pozwala on na zachodzenie reakcji izomeryzacji, cyklizacji i aromatyzacji. W efekcie uzyskuje się cenne energetycznie paliwa

1. Kraking – proces technologiczny stosowany w celu przerobu ciężkich frakcji ropy naftowej na benzynę i oleje; kontrolowany rozkład dł. węglowodorów, zawartych w ciężkich frakcjach, takich jak mazut i frakcje olejowe, otrzymywanych w procesie rafinacji ropy naftowej, na związki o krótszych łańcuchach węglowych, takich jakie występują w benzynie i oleju napędowym. Potrzebna wysoka temperatura ok. 400°C, używa się katalizatora – platyny.

Rozkład wyższych alkanów połączona z pękaniem wiązań międzywęglowych C – C, w wyniku której tworzy się mieszanina alkanów i alkenów niższych o krótszych łańcuchach.

Produktem jest krótki alkan (przydatny) i alken (substrat do polimeryzacji).

Np. C₁₈H₃₈ ---> C₉H₁₈ + C₉H₂₀

Olej napędowy – paliwo samochodowe (w silnikach musi nastąpić samozapłon)

Liczba cetanowa – zdolność do samozapłonu, cetan – posiada bardzo krótki czas zapłonu

Olej napędowy – mieszanina węglowodorów o zawartości at. C w cząsteczce 9-24 (alkany i cykloalkany)