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 m_H, 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 m_e=9,108 ·10^-31kg ładunek 1,602x 10^-19 C

p około 10^-14m m_p =1,672 ·10^-27kg = 1837 m_e

ładunek 1,602 · 10^-19 C

n m_n = 1,675 · 10^-27 kg = 1839 m_e

( 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 _1p^1p+0n ₁²D _1p^1p+1n ₁³T _1p^1p+2n

prot deuter tryt (promieniotwórczy)

Cyna posiada 10 trwałych izotopów

_Z^AE 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 V_mol = 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 t_1/2 = 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 t_1/2 = 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 ₆¹²C_n, 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 30^oC)

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

t_w- 195,8 ^oC N₂O NO N₂O₃ NO₂ N₂O₅ t_w= -183^o

100% N₂ 100%O₂

_{66,6 46,5 36,8 30,4 25,9}

N₂O₄

Typy reakcji chemicznych.

Podział ze względu na zależności stechiometryczne.

1. 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) 2H_2(g) + O_2(g) → 2H₂O_(l) (redoks, mieszanina piorunująca)

d) NH_3(g) + HCl_(g) → NH₄Cl_(s) (nie jest to redoks)

2. Reakcje analizy

a) 2Pb(NO₃)_2(s) → 2PbO_(s) + 4NO_2(g) + O_2(g) (reakcja redoks)

b) 2HgO_(s) → 2Hg_(l) + O_2(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

---