Jednostki fizyczne stosowane w chemii

W chemii często zachodzi potrzeba opisania właściwości danej substancji. Najczęściej do opisu substancji wykorzystujemy jej charakterystyczne właściwości fizyczne i chemiczne. Często mówimy i piszemy, że dana substancja:

• jest lżejsza od innej

• ma niższą temperaturę wrzenia

• ma wyższą temperaturę topnienia

• rozpuszcza się w innej

• jest nierozpuszczalna, np. w wodzie

• itd

Znajomość tych właściwośi często ma znaczenie praktyczne, szczególnie w praktyce laboratoryjnej i przemysłowej w czasie rozdzielania mieszanin i analizy jakościowej.
Z ważniejszych wielkości i jednostek układu SI (Systeme International) należy wymienić - patrz tabela

Nazwa jednostki	Wielkość fizyczna	Oznaczenie
Metr	Długość	m
Kilogram	Masa	kg
Sekunda	Czas	s
Amper	Natężenie prądu elektrycznego	A
Kelwin	Temperatura	K

Z jednostek pochodnych mających zastosowanie w chemii należy wymienić - patrz tabela.

Wielkość fizyczna	Oznaczenie
Gęstość	kg/m^3
Ciśnienie	Pa (paskal)
Energia	J (dżul)
Objętość	m^3

Wartości niektórych wielkości fizycznych interesujących chemika i nie tylko, są dostępne w postaci tabel i diagramów w podręcznikach do chemii i opracowanych tablicach chemicznych. Często w praktyce laboratoryjnej zachodzi potrzeba pomiaru niektórych wielkości fizycznych. Najczęściej są nimi; temperatura wrzenia, topnienia i gęstość.

Ćwiczenie - pomiar temperatury wrzenia, topnienia i gęstości ciał stałych i cieczy

Pomiar temperatury wrzenia

Temperatura topnienia określa moment kiedy substancja ze stanu stałego przechodzi w stan ciekły

Rys. 14 Pomiar temperatury wrzenia

Temperatura wrzenia, to temperatura, w jakiej zachodzi zjawisko przemiany cieczy w gaz (parę), podczas którego powstają i rosną pęcherzyki pary nasyconej w objętości, a nie tylko na powierzchni cieczy. Mówimy wtedy, że ciecz wrze. W temperaturze wrzenia prężno�ć pary nasyconej nad płaską powierzchnią cieczy równa jest ciśnieniu zewnętrznemu - oznacza to, że zmieniajšc owo ciśnienie, zmienia się temperaturę wrzenia. Do pomiaru temperatury wrzenia możemy wykorzystać wcześniej prezentowany układ do destylacji (rys.14). Sposób pomiaru jest następujący; do kolby destylacyjnej wlej badaną ciecz i wrzuć kilka kawałków porcelany zamknij kolbę korkiem, w którym umieszczony jest termometr ogrzewaj ciecz palnikiem i obserwuj wskazania termometru moment kiedy w całej objętości cieczy obserwujemy gwałtowne wydzielanie się gazu oznacza, że ciecz zaczyna wrzeć a wskazania termometru nie zmieniają się zapisz odczytaną temperaturę

Pomiar temperatury topnienia

Rys. 15 Pomiar temperatury topnienia

Temperatura topnienia określa moment kiedy substancja ze stanu stałego przechodzi w stan ciekły. Do pomiaru temperatury topnienia wykorzystamy układ zbudowany zgodnie z rysunkiem 15. W doświadczeniu do pomiaru temperatury wykorzystamy termometr cyfrowy. Sposób pomiaru jest następujący. do tygla wsyp sproszkowaną badaną próbkę do próbki wstaw czujnik bagnetowy termometru ogrzewaj próbke palnikiem i obserwuj wskazania termometru w chwili kiedy zaobserwujemy przejście ze stanu stałego do ciekłego dokonujemy odczytu temperatury. Odczytana wartość jest szukaną temperaturą topnienia substancji.

Praktycznego pomiaru temperatury topnienia możemy dokonać na substancjach, które są wykorzystywane jako dodatki do żywności, tj. glukoza, fruktoza, kwas benzoesowy, kwas cytrynowy.

Nazwa substancji	Temperatura topnienia
Glukoza	146^oC
Fruktoza	118^oC
Kwas benzoesowy	122^oC
Kwas cytrynowy	101^oC

Pomiar gęstości substancji

Gęstość jest cechą danej substancji w danym stanie skupienia i jest jedną z najważniejszych właściwości fizycznych. Gęstość jest to stosunek masy ciała do jego objetości;

gdzie; d - gęstość, m - masa, V- objętość.
Znajomość wzoru na gęstość substancji pozwala na obliczenie;

• objętości ciała o znanej masie V = m/d

• obliczenie masy ciała o znanej gęstości m = d * V

Z kolei znajomość gęstości pozwala na ustalenie kolejności warstw dwóch nie mieszających się cieczy. Dolną warstwą jest ciecz o większej gęstości. Ma to praktyczne znaczenie w czasie rozdzielania dwóch nie mieszających się cieczy.
Wartości gęstości substancji możemy znalezć w wielu tablicach. Ale możemy wyznaczyć sami, korzystając ze sprzętu laboratoryjnego. Patrz przykłady.

Rys. 16 Wyznaczanie gęstości cieczy

Wyznaczanie gęstości benzyny - porównanie z cieczą o znanej gęstości Do wyznaczenia gęstości benzyny wykorzystamy dwa cylindry miarowe i wagę analityczą (rys.16). Masa każdego pustego cylindra wynosi 130,00 g. Do cylindra a wlewamy 50 ml wody której gęstość wynosi 1 g/cm^3, natomiast do cylindra b 50 ml benzyny. Każdy napełniony cieczą cylinder z osobna ważymy i obliczamy masę cieczy. Odpowiednio obliczona masa ma wartość; woda - 50 g benzyna - 37,5 g Gęstość benzyny wyniesie dbenzyna = 37,5 / 50 = 0,75 g/cm^3 Oznacza to, że kiedy wlejemy wodę do benzyny utworzy ona górną warstwę, ponieważ są to ciecze nie mieszające się.

Bezpośrednią metodą pomiaru gęstości cieczy jest zastosowanie areometru. W tym celu badaną ciecz wlewamy do cylindra i zanurzamy w niej areometr. Odczytu gęstości dokonujemy bezpośrednio z areometru.

Rys. 17 Wyznaczanie gęstości ciała stałego

Wyznaczanie gęstości ciała stałego Do obliczenia gęstości ciała stałego skorzystamy ze wzoru na gęstość. Masę badanej substancji wyznaczymy korzystając z wagi analitycznej, natomiast objętość wyznaczymy przy pomocy cylindrów miarowych (rys.17). Sam pomiar masy (m) jest prosty i sprowadza się do odczytania mierzonej wartości ze skali wagi. Natomiast objętością (V) jest różnicą poziomów wody w cylindrze z badaną substancją i bez badanej substancji. Podstawiając do wzoru obliczamy gęstość (d) badanej substancji.

Przykład - wyznaczenie gęstości glinu

1. Masa kostki glinu zważonego na wadze analitycznej wynosi m = 55,6 g
2. Objętość kostki glinu wyniesie

V = V₂ - V₁ = 72 cm³ - 50 cm³ = 22,0 cm³

gdzie:V₁ - objętość wody w cylindrze, V₂ - objętość wody razem z wrzuconą do cylindra kostką glinu.

d = m / V = 55,6 g / 22,0 cm³ = 2,53 g/cm³

Mol jako jednostka liczności materii

W chemii dla potrzeb określenia zbiorów obejmujących bardzo dużą liczbę mikroelementów jakimi są atomy, cząsteczki i jony wprowadzono pojęcie mola. Jest to liczba, której wartość wynosi 6,02*10²³.
Wartość tej liczby została wyznaczona przez włoskiego fizyka Amadeo Avogadro i od jego nazwiska nazywana jest liczbą Avogadra. Jest to taka sama jednostka jak inne i jest obowiązująca w układzie SI.

Mol określa współcześnie liczbę atomów, cząsteczek, jonów równą liczbie atomów zawartych w dokładnie 0,012 kg czystego izotopu węgla ^12C i wynosi 6,02*10^23 1 mol = 6,02*10^23 (atomów, cząsteczek, jonów)

Dlaczego taką jednostkę wprowadzono?

Głównym powodem zastosowania tego rodzaju jednostki był problem z właściwą oceną ilościową przebiegu reakcji chemicznych. Z dotychczasowych lekcji w gimnazjum wiemy, że reakcje chemiczne przebiegają między atomami albo cząsteczkami, co zapisujemy odpowiednim równaniem chemicznym. Z takiego równania możemy odczytać informacje o ilości i rodzaju substancji wchodzących do reakcji (substratów) oraz o ilości i rodzaju substancji powstających w jej wyniku (produktów). Te dane odczytujemy z wartości współczynników stechiometrycznych i indeksów.

Przykład

Opis 1 - interpretacja cząsteczkowa

Substraty	Kierunek przemiany	Produkty
CO2 + H2O	--->	H2CO3
1 cząsteczka dwutlenku węgla (CO2) reaguje z 1 cząsteczką wody (H2O)	--->	Otrzymujemy 1 cząsteczkę kwasu węglowego
H2 + Cl2	--->	2HCl
1 cząsteczka wodoru (H2) reaguje z 1 cząsteczką chloru (Cl2)	--->	Otrzymujemy 2 cząsteczki chlorowodoru (HCl)

Oczywiście te same równania możemy wyrazić w jednostach mas. W tym przypadku wcześniej napisane równania odczytamy.

Opis 2 - interpretacja cząsteczkowa

Substraty	Kierunek przemiany	Produkty
CO2 + H2O	--->	H2CO3
44 unity (u) dwutlenku węgla (CO2) reagują z 18 unitami (u) wody (H2O)	--->	Otrzymujemy 62 unity (u) kwasu węglowego
H2 + Cl2	--->	2HCl
2 unity (u) wodoru (H2) reagują z 70 unitami (u) chloru (Cl2)	--->	Otrzymujemy 2*36 unitów (u) chlorowodoru (HCl)

Zamiast jednostek mas atomowych (unitów), przebieg reakcji chemicznej możemy opisać z zastosowaniem klasycznych jednostek mas, tj. kilograma i grama.

Opis 3 - interpretacja cząsteczkowa

Substraty	Kierunek przemiany	Produkty
CO2 + H2O	--->	H2CO3
7,3*10^-23 gramy (g) dwutlenku węgla (CO2) reagują z 3,0*10^-23 gramami (g) wody (H2O)	--->	Otrzymujemy 10,3*10^-23 gramy (g) kwasu węglowego

Posługiwanie sie tak małymi jednostami mas jest niewygodne, dlatego poszukiwano innego sposobu wyrażania mas substratów i produktów.
Otóż okazało się, że wprowadzenie pojęcia mola rozwiązuje ten problem. Pozwala to nam inaczej odczytywać równania chemiczne a masy substaratów i produktów są wielkościami znaczącymi.

Opis 4 - interpretacja molowa

Substraty	Kierunek przemiany	Produkty
CO2 + H2O	--->	H2CO3
1 mol cząsteczek dwutlenku węgla (CO2) reaguje z 1 molem cząsteczek wody (H2O) W jednostkach mas 44 gramy (g) dwutlenku węgla (CO2) reagują z 18 gramami (g) wody	--->	Otrzymujemy 1 mol cząsteczek kwasu węglowego W jednostkach mas 62 gramy (g) kwasu węglowego
H2 + Cl2	--->	2HCl
1 mol cząsteczek wodoru (H2) reagują z 1 molem cząsteczek chloru (Cl2) W jednostkach mas 2 gramy (g) wodoru reagują z 70 gramami (g) chloru	--->	Otrzymujemy 2 mole chlorowodoru (HCl) W jednostkach mas 72 gramy (g) chlorowodoru

Porównując wartości mas wyrażone w unitach (opis 2) i gramach (opis 4) widzimy, że ich wartości bezwzględne są sobie równe. Że tak jest faktycznie można udowodnić, korzystając z definicji mola i odpowiednich działań matematycznych. Z tego możemy wnioskować, że masa jednego mola jest równa co do bezwzględnej wielkości masie atomowej lub masie cząsteczkowej. Ta wielkośc jest definiowana jako masa molowa.

Masa molowa wyraża masę 1 mola atomów, cząsteczek i jonów.

Substancja	Masa atomowa lub cząsteczkowa	Mol	Masa molowa
S (siarka)	32u	6,02*10^23 atomów	32 g/mol
O2 (tlen)	32u	6,02*10^23 cząsteczek	32 g/mol
SO2 (tlenek siarki(IV)	64u	6,02*10^23 cząsteczek	64 g/mol

Obliczenia z wykorzystaniem równań chemicznych

Równania reakcji chemicznych mają znaczenie równań matematycznych, podają bowiem stosunki ilościowe pomiędzy reagującymi substancjami i powstającymi w reakcji produktami. Dlatego na podstawie równań chemicznych przeprowadza się wiele różnorodnych obliczeń o dużym praktycznym znaczeniu w wielu działach chemii. W ten sposób oblicza się np. wydajność procesów chemicznych oraz ilości substaratów niezbędne do otrzymania pożądanych ilości produktów.

• Przykład 1
  Obliczyć, ile gramów CO₂ można otrzymać z 25 g CaCO₃ działając kwasem solnym. jaką objętość zajmie wydzielony CO₂ w warunkach normalnych.
  Kolejność postępowania

• ułożenie równania reakcji

• dobór współczynników stechiometrycznych

• podstawienie danych i szukanych wielkości do równania reakcji

• podstawienie iloczynów współczynników stechiometrycznych i mas molowych substancji do równania reakcji

• ułożenie proporcji

• obliczenie szukanych wielkości

• sformułowanie odpowiedzi

 

Rozwiązanie

 

CaCO₃

+ 2HCl -->

CaCl₂

+ H₂O

+ CO₂

25g

 

 

 

V_CO2(dm³₎

25g

 

 

 

m_CO2(g)

CaCO₃

+ 2HCl -->

CaCl₂

+ H₂O

+ CO₂

1x100,09g/mol

 

 

 

1x22,4dm³

1x100,09g/mol

 

 

 

1x44,01g/mol

Ułożenie równania reakcji	CaCO3 + HCl --> CaCl2 + 2H2O + CO2
Podstawienie danych i szukanych wielkości do równania reakcji
Podstawienie iloczynów współczynników stechiometrycznych i mas molowych substancji do równania reakcji
Ułożenie równania na proporcję	Z 100,09 g CaCO3 otrzymamy 22,4 dm^3 CO2 to z 25 g CaCO3 otrzymamy x dm^3 CO2 Z 100,09 g CaCO3 otrzymamy 44,01 g CO2 to z 25 g CaCO3 otrzymamy x g CO2
Wynik obliczeń	x dm^3 CO2 = 5,995 dm^3 x g CO2 = 10,933 g
Odpowiedź	W reakcji otrzymamy 5,995 dm^3 oraz 10.933 g CO2

Uwaga W czasie układania równań na proporcję jak i podczas podstawiania danych i szukanych wielkości zwracamy uwagę na zastosowane jednostki

---