CHEMIA
BADANIE CECH MATERII I ZMIAN TYCH CECH
MATERIA - Wszystko, co nas otacza, ma masę i zajmuje pewną objętość.
CECHY FIZYCZNE - stan skupienia, barwa, przewodnictwo elektryczne i cieplne, właściwości magnetyczne.
PRZEMIANY FIZYCZNE - zmiany stanu skupienia
1) ciało stałe ciecz
2) ciecz gaz (t. w., ciśnienie )
3) ciało stałe gaz
rozpuszczanie
4) ciało stałe roztwór
krystalizacja
PRZEMIANY CHEMICZNE (reakcje chemiczne)
A + B A-B
mieszanina związek chemiczny
Fe + S Fe S dokładniej S jest to
S8
mieszanina związek chemiczny (całkowicie nowe cechy)
mieszanina - możemy rozdzielić metodami fizycznymi
HISTORIA CHEMII
STAROŻYTNOŚĆ - praktyczne wykorzystanie reakcji
chemicznych.
Demokryt - postulował istnienia atomów
WIEKI ŚREDNIE - dodatkowo teorie filozoficzne
- ziemia - powietrze - woda - ogień - 4 pierwiastki
Alchemia
poszukiwanie kamienia filozoficznego oraz eliksiru młodości -
CZASY PRAWIE WSPÓŁCZESNE (chemicznie)
Boyle - około 1640 r. pierwiastek -związek chemiczny
Pierwiastek - nie można rozłożyć na prostsze składniki przy użyciu metod chemicznych
Lavoisier (1785 ) prawo zachowania masy.
MASA PRODUKTÓW REAKCJI JEST RÓWNA MASIE SUBSTRATÓW WZIĘTYCH DO REAKCJI.
MgO , SiO2 uznawał za pierwiastki
Proust (1799) prawo stosunków stałych
Różne próbki tej samej substancji zawierają składowe pierwiastki w tych samych proporcjach
Dalton (1804) teoria atomistyczna
Pierwiastki składają się z takich samych atomów.
Związki chemiczne powstają przez połączenie się atomów różnego rodzaju w ściśle określonym stosunku wagowym.
Dalton - Prawo prostych stosunków wielokrotnych.
Gdy dwa pierwiastki łączą się ze sobą, tworząc więcej niż jeden związek chemiczny, to masy jednego pierwiastka, które łączą się z tą samą masą drugiego pierwiastka, pozostają wzajemnie w stosunku niewielkich liczb całkowitych.
MnO (55 :16) MnO2 (55: 32) Mn2O7 (55: 56)
16 : 32 : 56 = 2 : 4 : 7
Faraday ( 1832 ) - prawa elektrolizy
Podczas elektrolizy zachodzą reakcje chemiczne.
Przepuszczając prąd elektryczny przez roztwór soli lub stopioną sól, powodujemy wydzielenie substancji, których ilość jest wprost proporcjonalna do ładunku, który przepłynął przez elektrolit. m = kit
Crookes i Goldstein - promienie kanalikowe i katodowe (1886)
J. Thomson i D. Perrin (1890)
Promienie katodowe - bardzo lekkie, masa - m = 1/1837 mH, ładunek ujemny, jest to strumień elektronów.
promienie kanalikowe - ładunek dodatni, masa zależna od gazu wypełniającego rurkę, strumień jonów dodatnich.
Powstają przez jonizację gazu. N2 + e N2+ + 2e
W bardzo rozrzedzonym wodorze H2 + e H+ + H + 2e
W fazie gazowej H+ = proton
Röntgen (1895). Promieniowanie X, bardzo przenikliwe. Odkryte przy badaniu padania promieni katodowych na szkło rurki szklanej. Przenika przez nieprzeźroczysty papier, zaczernia kliszę fotograficzną.
Becquerel (1896) stwierdzenie promieniotwórczości uranu. Doświadczenie z kluczem i kliszą fotograficzną.
Skłodowska-Curie (1896). Badała promieniowanie rudy uranowej (blendy smolistej). Frakcja zawierająca przede wszystkim Bi2S3 była bardzo silnie promieniotwórcza (1898 polon). Potem rad (1898).
Rutherford i Villard (1899) - Promieniowanie uranu składa się z trzech składników
biegun południowy powyżej, biegun północny poniżej płaszczyzny rysunku
γ - promieniowanie podobne do promieniowania Röntgena
α - po spowolnieniu otrzymano 42He (gazowy hel)
β - w polu magnetycznym zachowanie podobne do promieni katodowych
Rutherford (1911 ) - odkrycie jądra atomowego
Chadwick (1932) odkrycie neutronu
Beryl bombardowany cząstkami α z preparatu Ra daje nowy rodzaj przenikliwego promieniowania nie zatrzymywanego przez Pb.
94Be + 42He → 10n + 126C
ATOMY
10-12 m = 1pm 10-10 m = 1 Å 10-15 m = 1fm
średnica atomu wodoru około 100 pm
e około 10-15m me=9,108 ·10-31kg ładunek 1,602x 10-19 C
p około 10-14m mp =1,672 ·10-27kg = 1837 me
ładunek 1,602 · 10-19 C
n mn = 1,675 · 10-27 kg = 1839 me
( cząstka normalnie nietrwała, trwała w jądrze atomowym)
Uwaga: mili 10-3 n. p. mm, mikro 10-6 n. p. μm,
mano 10-9 n. p. nm, piko 10-12 n. p. pm,
Thomson (1912) Udowodnienie istnienia izotopów
Izotopy - Odmiany pierwiastka różniące się ilością neutronów w jądrze
Thomson badał promienie kanalikowe generowane w rozrzedzonym Ne.
Jony Ne+ (dwa rodzaje)\
20 mas protonu 1020Ne 10p+10n
22 masy protonu 1022Ne 10p+12n
22 liczba masowa n + p
10 liczba atomowa p (liczba porządkowa w układzie okresowym - określa wł. chemiczne )
Izotopy wodoru
11H 1p1p+0n 12D 1p1p+1n 13T 1p1p+2n
prot deuter tryt (promieniotwórczy)
Cyna posiada 10 trwałych izotopów
ZAE kiedy Z i A stałe - nuklid
Podsumowanie - jadro atomowe - nukleony (protony + neutrony). W świetle nowszych badań nukleony nie są cząstkami elementarnymi. Zalicza się je do hadronów i składają się z kwarków.
Przestrzeń wokół jądra zajmują elektrony. Zalicza się je do leptonów. Są to rzeczywiste cząstki elementarne.
Praktycznie cała masa atomu zawarta jest w jądrze.
MASA ATOMOWA (CZĄSTECZKOWA).
Dalton H =1 Berzelius O = 100
Stas O = 16 (naturalny tlen)
Współcześnie 612C = 12,0000 u 1u =
masy atomu 612C
1u = 1,66057 ·10-27 kg
Masa atomowa (cząsteczkowa) wskazuje ile razy masa danego atomu (cząsteczki) jest większa od masy 1/12 atomu węgla izotopu 12C.
Masa atomowa pierwiastków naturalnych obliczana z udziału procentowego w pierwiastku w naturze.
Ilości atomów i cząsteczek biorących udział w reakcjach chemicznych są bardzo duże. Dlatego wprowadzono jednostki zwane molami.
MOL - jednostka liczności w układzie SI
Mol jest to liczność materii, gdy liczba cząstek jest równa liczbie atomów w 0,012 kg węgla 612C. Jest to 6,0221·1023 sztuk (liczba Avogadro).
1 mol substancji - tyle gramów ile wynosi masa cząsteczkowa.
1 mol wody H2O =18 g
1 mol atomów azotu N = 14 g (masa molowa atomowego azotu), 1 mol cząsteczek azotu N2 = 28 g (masa molowa cząsteczkowego azotu). Bardzo ważne jest zdawanie sobie sprawy, o jaki mol nam chodzi.
1 mol elektronów 1F = 96490 kulombów
1 mol gazu doskonałego w warunkach normalnych Vmol = 22,41 dm3. Warunki normalne to 0 ºC i 1013 hPa.
Gay - Lussac, prawo prostych stosunków objętościowych. Objętości reagujących ze sobą gazów lub tworzących się w reakcji chemicznej mierzone w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury pozostają do siebie w stosunku niewielkich liczb całkowitych.
2 CH3OCH3 + 4 O2 → 4 CO2 + 6 H2O
2 : 4 : 4 : 6 zależy od temperatury
Dla chemików praktyczne jest używanie masy molowej
Masa molowa naturalnego chloru atomowego = 35,45 g/mol. Pierwiastek ten składa się z dwóch izotopów 1735Cl i 1737Cl. Jaka jest zawartość izotopów 35 i 37 (%) ?
Masa 1 mola nuklidu 1735Cl = 34.98 g
Masa 1 mola nuklidu 1737Cl = 36.98 g
35,45 = 34,98 · x/100 + 36,98(100-x)/100 x = 75, 76%
Właściwości chemiczne są zależne od struktury elektronowej, a zatem od liczby atomowej (ilości protonów w jądrze a zatem elektronów wokół jądra) a nie od liczby masowej (w przybliżeniu masy atomowej).
1840Ar (gaz szlachetny),
1940K (promieniotwórczy izotop K) całkowicie różne
2040Ca (trwały izotop wapnia) właściwości
ta sama liczba masowa - nuklidy o tej samej liczbie masowej to są izobary
Pewne ważne izotopy i ich zastosowanie.
12D deuter: D2O spowalniacz neutronów w technice reaktorów jądrowych, znacznik w reakcjach chemicznych, deuterowane rozpuszczalniki do spektroskopii NMR n. p. D2O, CDCl3.
13T tryt, w tej chwili raczej tylko w badaniach biologicznych.
614C t1/2 = 5760 lat - czas półtrwania, emiter β, wytwarza się w atmosferze z azotu.
714N + 01n → 614C + 11H (p)
Dla żyjącego organizmu ustala się stan równowagi (1:1012)
Oznaczanie wieku próbek ze źródeł biologicznych.
2760Co - źródło promieniowania γ , defektoskopia, medycyna
53131I - badania tarczycy, izotop promieniotwórczy
90232Th 82208Pb t1/2 = 1,39· 1010 lat (okres półtrwania). Stosunek 90232Th do powstałego 82208Pb pozwala określić wiek minerału.
92235U - rozszczepialny przez wolne neutrony, bomby atomowe, energetyka jądrowa.
Definicja Pierwiastek jest to substancja, której cząsteczki składają się z atomów o tej samej liczbie atomowej.
Pierwiastek neon mieszanina
i
.
Pierwiastek wodór H2 + HD + D2
Pierwiastek węgiel - diament 612Cn, ale dokładnie biorąc jest tam także pewna ilość izotopu
(niepromieniotwórczy).
Pierwiastek
fosfor - naturalny występuje tylko w postaci jednego nuklidu
.
Stan skupienia pierwiastków.
Pierwiastki gazowe: H2, He, N2, O2, F2, Ne, Cl2, Ar, Kr, Xe, Rn.
Pierwiastki ciekłe: Br2, Hg, (Ga i Cs, tt około 30oC)
Pierwiastki stałe: wszystkie pozostałe.
Związek chemiczny jest to substancja, która składa się z dwóch lub więcej pierwiastków połączonych ze sobą. Związek chemiczny musi posiadać określony skład. Związku chemicznego nie można metodami fizycznymi rozdzielić na składniki.
woda H2O destylacja nie - elektroliza tak
cukier C12H24O12 rozpuszczenie nie - ogrzewanie - karmel
sól kamienna NaCl rozpuszczenie nie - elektroliza tak
Mieszanina - może posiadać dowolny skład, daje się rozdzielić metodami fizycznymi.
Odróżnienie mieszaniny od związku chemicznego jest bardzo ważne, czasami trudne. Cechy optyczne - dla mieszanin niejednorodnych: piasek- woda, benzyna woda, chlorek sodu siarczan miedzi (II)
materiały (przedmioty)
materiały materiały
niejednorodne jednorodne
(mieszaniny)
roztwory substancje czyste
(mieszaniny jednorodne)
pierwiastki związki chemiczne
tw- 195,8 oC N2O NO N2O3 NO2 N2O5 tw= -183o
100% N2 100%O2
66,6 46,5 36,8 30,4 25,9
N2O4
Typy reakcji chemicznych.
Podział ze względu na zależności stechiometryczne.
Reakcje syntezy
FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S ↑
H2S + Pb(CH3COO)2 → 2CH3COOH + PbS (czarny)
b) 2Mg + O2 → 2MgO (reakcja redoks)
MgO + H2O → Mg(OH)2 (odczyn zasadowy)
c) 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) (redoks, mieszanina piorunująca)
d) NH3(g) + HCl(g) → NH4Cl(s) (nie jest to redoks)
2. Reakcje analizy
a) 2Pb(NO3)2(s) → 2PbO(s) + 4NO2(g) + O2(g) (reakcja redoks)
b) 2HgO(s) → 2Hg(l) + O2(g) (reakcja redoks)
c) Pb(N3)2 → Pb + 3N2 (wybuchowa reakcja redoks)
d) NH4HCO3 → NH3↑ + CO2↑ + H2O↑ (nie jest to redoks)
Siła napędowa - strącanie osadów, tworzenie substancji słabo zdysocjowanych, lotnych, kompleksowych. Jest to przesuwanie stanu równowagi.
1
topnienie
krzepnięcie
wrzenie
skraplanie
sublimacja
osadzanie
temperatura
Ra
α
dla folii Au
1000 warstw
1 : 100000
Wniosek : jądro jest bardzo małe
Przekrój jądra = 0,00000001prze-
kroju atomu
Upadł model Thomsona budowy atomu (elektrony jak rodzynki w dodatnim cieście).
•
jądro - około 10-14 m
atom - w zakresie 10-10 m