WYKŁAD 1. Wstepne pojecia chemiczne, pwr biotechnologia(I stopień), I semestr, Chemia ogólna

WSTĘPNE POJĘCIA CHEMICZNE

Chemia jako dziedzina nauki

Materia to cały makrokosmos, na którego budowę składają się wszelkie ciała "mikrokosmosu" jak cząstki elementarne, różne rodzaje promieniowania, itp.

Materia składa się z:

- substancji prostych czyli pierwiastków chemicznych

(np. wodór, siarka, złoto),

- substancji złożonych czyli związków chemicznych

(np. sól kuchenna, gips),

- mieszanin dwu lub więcej substancji prostych lub złożonych

(np. powietrze, skały, węgiel kopalny, cement).

Budowa atomu

Atom jest zbudowany z:

- jądra atomowego,

- chmury elektronowej.

Średnice atomów pierwiastków 37 - 133 pm

Średnica jądra 1 - 7 fm

Gęstość materii w jądrze ~ 10¹⁷ kg/m³

1 cm³ jądra ma masę 100 mln ton !

Jądra składają się z :

- protonów (cząstki dodatnie)

- neutronów (cząstki obojętne)

Chmura elektronowa: elektrony

Masa atomowa

Masy atomów, jąder atomowych, cząstek elementarnych (mikrokosmos) wyraża się za pomocą ATOMOWEJ JEDNOSTKI MASY:

1 u = 1,661⋅10^-27 kg

ATOMOWA JEDNOSTKA MASY (u) jest równa 1/12 masy atomu nuklidu węgla ¹²₆C

JEST TO JEDNOSTKA SKALI ATOMOWEJ

Cząstki

podstawowe

Masa (g)

Masa (u)

Ładunek

elektryczny

Symbol

elektron

proton

neutron

9,1093897⋅10^-28

1,672649⋅10^-24

1,674954⋅10^-24

0,00054857

1,007272

1,008665

-1

Model standardowy (opis uproszczony):

pierwotnymi składnikami materii są kwarki i leptony;

patrz: (fizyka jądrowa).

NUKLID to zbiór atomów o jednakowym składzie jądra. Nuklidy opisuje się ogólnie:

A - liczba masowa, Z - liczba atomowa, X - symbol pierwiastka

LICZBA MASOWA (A) jest równa liczbie protonów

i neutronów w jądrze.

LICZBA ATOMOWA (Z) jest równa liczbie protonów w jądrze

Przykłady nuklidów: ,

Inny (uproszczony) zapis: ¹H, ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs,

Jeszcze inny zapis nuklidów: H-1, Co-60, Cs-137.

A - liczba masowa, Z - liczba atomowa, X - symbol pierwiastka

Nuklidy tego samego pierwiastka nazywają się IZOTOPAMI. Izotopy danego pierwiastka różnią się liczbą neutronów w jądrze.

Np. nuklidy wodoru: są to 3 znane izotopy wodoru.

W przypadku izotopów wodoru mamy odpowiednio 0, 1 i 2 neutrony w jądrze.

Izotopy mogą być:

trwałe
nietrwałe, czyli promieniotwórcze.

Po 1 izotopie trwałym posiadają: F, P, Sc, Mn, As, Y, Nb, I, Cs, Au, Bi

Najwięcej izotopów trwałych posiada cyna (10)

Brak trwałych izotopów dla pierwiastków występujących w przyrodzie:

- ciężkie pierwiastki o 84 < Z < 92

Skład izotopowy dla wybranych pierwiastków

Liczba atomowa

Symbol

Liczby masowe izotopów (w nawiasach podano zawartość w procentach masowych)

1(99,985), 2(0,015)

4(99,99987), 3(0,00013)

9(100), 10(0,0002)

12(98,89), 13(1,11)

39(93,2), 41(6,8), 40^*(0,0119)

112(1,02), 114(0,69), 115(0,38), 116(14,3), 117(7,6) 118(24,1), 119(8,5), 120(32,5), 122(4,8), 124(6,1)

127(100)

133(100)

138(0,089), 139(0,097), 134(2,42), 135(6,6), 136(7,8) 137(11,3), 138(71,7)

185(37,1), 187^*(62,9)

197(100)

209(100)

^* Nuklidy nietrwałe wykazujące bardzo długi okres półtrwania i z tego powodu zwyczajowo uwzględniane przy określaniu składu izotopowego pierwiastków.

MASĄ ATOMOWĄ nazywamy masę atomu pierwiastka wyrażoną w atomowych jednostkach masy.

Jak się ma masa atomowa pierwiastka do mas izotopowych poszczególnych izotopów tego pierwiastka ?

Pierwiastek występujący w przyrodzie jest w większości przypadków mieszaniną izotopów.

MASĘ ATOMOWĄ PIERWIASTKA obliczamy jako średnią ważoną z mas izotopowych naturalnej mieszaniny izotopów.

Przykład - węgiel:

¹²C 98,89 % 12,000000 u

¹³C 1,11 % 13,003355 u

masa atomowa węgla:

(98,89 ⋅ 12,000000 + 1,11 ⋅ 13,003355) / 100 = 12,011 u

MASĄ CZĄSTECZKOWĄ nazywamy masę cząsteczki pierwiastka lub związku chemicznego wyrażoną w atomowych jednostkach masy. Masę cząsteczkową obliczamy sumując masy atomowe wszystkich atomów wchodzących w skład cząsteczki.

W chemii używamy też tzw. względnej masy atomowej (cząsteczkowej).

WZGLĘDNA MASA ATOMOWA (CZĄSTECZKOWA) jest to stosunek masy atomu danego pierwiastka (cząsteczki danego pierwiastka lub związku chemicznego) do 1/12 masy atomu nuklidu C-12. Jest to wielkość bezwymiarowa.

4. Mol

Jakie jest przejście pomiędzy makro- i mikrokosmosem?

To przejście umożliwia wielkość zwana LICZNOŚCIĄ.

Jest to wielkość tego samego rodzaju co tuzin (12 sztuk) czy kopa (60 sztuk). Jednostką liczności jest MOL.

1 MOL zawiera liczbę cząstek (cząsteczek, atomów czy jonów) równą liczbie atomów zawartych w 12 gramach

nuklidu węgla C-12

Liczba cząstek chemicznych^* zawartych w 1 molu jest nazywana

LICZBĄ AVOGADRO i wynosi 6,022045 ⋅10²³

*cząstki chemiczne to elementy struktury materii: atomy, cząsteczki, jony, rodniki, pary jonowe. Inna nazwa cząstki to indywiduum chemiczne.

WIELKOŚCI PODSTAWOWE UKŁADU SI^*i ich jednostki:

Wielkości

Zalecane oznaczenia

wielkości

Jednostki

Oznaczenia

jednostek

długość

masa

czas

natężenie prądu elekt.

temperatura

światłość

liczność

metr

kilogram

sekunda

amper

kelvin

kandela

mol

^* Międzynarodowy Układ Jednostek Miar zatwierdzony w 1960 r. (w Polsce od 1966 r.). Skrót pochodzi z j. franc. Systeme Internatond d^'Unites

MASA MOLOWA jest to masa 1 mola wyrażona w g/mol.

Zależność masy atomowej, masy molowej i względnej masy atomowej:

np. dla wodoru:

1,0079 u → 1,0079 g/mol → 1,0079

Jak obliczyć masę 1 atomu wodoru?

masa 1 atomu wodoru =

= (1,0079 g/mol) / 6,022⋅10²³ /mol = 1,6736⋅10^{- 27} kg.

Jaka jest objętość 1 mola pierwiastka lub związku chemicznego w stanie gazowym?

W warunkach normalnych, tj. w 273,15 K (0 ⁰C) i pod ciśnieniem 1,10035⋅10⁵ Pa

(1 atm), objętość ta wynosi: 22,41 dm³/mol.

Zadanie - definicja mola:

Obliczyć liczbę atomów miedzi znajdującej się w płytce tego metalu

o grubości 1 μm i powierzchni 1 mm²

Rozwiązanie:

Gęstość miedzi d = 8,92 kg/dm³

Objętość płytki:

V = 1⋅10^{- 6} m ⋅ (1⋅10^{- 3})² m² = 1⋅10^-12 m³ = 1⋅10^{- 9} dm³

Masa płytki :

m = d ⋅ V = 8,92 kg/dm³ ⋅ 1⋅10^{- 9} dm³ = 8,92⋅10^{- 6} g

1 mol - 63,55 g

x - 8,92⋅10^{- 6}g

1 mol - 6,022⋅10²³ atomów

1,40⋅10^{- 7} mola - y

y = 6,022⋅10²³ ⋅ 1,40⋅10^-7 = 8,43⋅10¹⁶ atomów

5. Trwałość jądra

Miarą trwałości jądra jest wartość energii wydzielonej podczas jego hipotetycznej syntezy z protonów i neutronów

Rozpatrzmy atom izotopu berylu
:

4 protony 4 x 1,0073 u = 4,0292 u

5 neutronów 5 x 1,0087 u = 5,0435 u

4 elektrony 4 x 0,0005 u = 0,0020 u

9,0747 u

Faktyczna masa izotopu
wynosi 9,0122 u

Ubytek masy (defekt masy) Δm = 0,0625 u

Odpowiada to energii ( E = mc² ):

0,0625 u ⋅ 1,49⋅10^-10 J/u = 9,31⋅10^-12 J

Na 1 nukleon:

Na 1 mol: 1,034⋅10^-12J ⋅ 6,022⋅10²³ = 6,22⋅10¹¹ J/mol

Energia jądrowa ~ 6⋅10¹¹ J/mol

Energia chemiczna ~ 10⁵ J/mol

Energia jądrowa >> Energia chemiczna

Siły jądrowe są zupełnie innego rodzaju niż siły grawitacyjne czy też siły

elektrostatyczne.

Jądra lekkie → synteza jądrowa → energia termojądrowa

Jądra ciężkie → reakcje rozszczepienia jąder → energia jądrowa

Koniec Rozdziału I-go.

Władysław Walkowiak - Chemia Ogólna, kurs WPC 1002w

8 z Roz. I

Rozdział I. Wstępne pojęcia chemiczne

nukleony

}

60 100 200 liczba masowa

MEDYCYNA

MIKROBIOLOGIA

BOTANIKA ZOOLOGIA

ASTRONOMIA GEOLOGIA METEOROLOGIA BIOLOGIA INŻYNIERIA

FARMACJA

ORGANICZNA NIEORGANICZNA FIZYCZNA ANALITYCZNA BIOCHEMIA

CHEMIA

FIZYKA

MATEMATYKA

CHEMIA jest nauką zajmującą się:

badaniem budowy
właściwościami materii
przemianami

Max. dla ⁶⁰Ni (8,75 MeV)

Energia wiązania nuklidów przypadająca na 1 nukleon w zależności od liczby masowej (A)

INŻYNIERIA

↑

Wyszukiwarka