Podstawy chemii
" Wykład  3 godz./tydzień
" Ćwiczenia 3 godz./tydzień  3 PK
" Egzamin  4 PK
" Chemia ma charakter przedmiotu selekcyjnego, co
oznacza, \
e jego zaliczenie warunkuje dalsze
studia.
" Jest te\
wiele kolejnych przedmiotów, do których
Podstawy chemii są niezbędne ...
1
Podstawy chemii (2)
" Wykładowca:
 Prof. dr hab. Stanisław Komornicki
 A-0, III p. 305, tel (12) (617) 24-88
 E-mail: [e-mail]
 Strona www:
 http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~komornik/
" Do czego słu\
ą wykłady i jak się zdaje
egzamin ?
2
1
Podstawy chemii (3)
" Do czego słu\
ą wykłady i jak się zdaje
egzamin ?
" Program wykładów i ćwiczeń odpowiada
dokładnie zawartości egzaminu, a to, co jest
w podręcznikach niekoniecznie
" Egzamin jest pisemny
" \
eby do niego przystąpić, trzeba zaliczyć
ćwiczenia
" ka\
dy ma prawo zdawać egzamin trzykrotnie
3
Najwa\
niejsze podręczniki
* A.Bielański - Chemia ogólna i nieorganiczna
* A.Bielański - Podstawy chemii nieorganicznej
* F.A.Cotton, G. Wilkinson, P.L.Gaus - Chemia
nieorganiczna. Podstawy.
* J.D.Lee - Zwięzła chemia nieorganiczna
* P.A. Cox  Chemia nieorganiczna. Krótkie wykłady
* dla bardziej ambitnych:
* R.G.Wells - Strukturalna chemia nieorganiczna
* L. Jones, P. Atkins  Chemia ogólna
* Wszelkie inne podręczniki mające w nazwie - chemia
ogólna lub chemia nieorganiczna
4
2
Chemia jest naukÄ… przyrodniczÄ…
" Definicja:
 chemia jest nauką, która zajmuje się składem, strukturą
i właściwościami substancji oraz reakcjami, w których
jedna substancja zmienia siÄ™ w innÄ…
" Zasady nowoczesnej chemii:
 poszukiwanie prawidłowości w zachowaniu się ró\
nych
substancji
 poszukiwanie modeli, które tłumaczą obserwacje
 modele powinny tłumaczyć zachowanie innych
substancji i jeśli to mo\
liwe obejmować relacje
ilościowe
 modele powinno dać się weryfikować doświadczalnie
5
Jednostki miar w układzie SI
Wielkość Symbol Jednostka
Masa m kg (g)
Długość l m
(powierzchnia S [m2], objętość V [m3])
Czas t s
PrÄ…d elektryczny I A
Temperatura T K
Ilość materii n mol
NatÄ™\
enie światła Iv cd
6
3
Inne jednostki (pochodne)
Energia J kg m2s-2
Częstość Hz s-1
Siła N kg m s-2
Ciśnienie Pa kg m-1 s-2
A
adunek elektryczny C A s
Pojemność elektryczna F A2 s4 kg-1 m-2
Potencjał elektryczny V kg m2 s-3 A-1
Opór elektryczny Ź kg m2 s-3 A-2
7
Przedrostki wielokrotności jednostek
" mniejsze
 m - mili 10-3=0,001
 µ - mikro 10-6
 n - nano 10-9
 p - piko 10-12
 f - femto 10-15
" większe
 k - kilo 103=1000
 M - mega 106
 G - giga 109
 T - tera 1012
8
4
Materia jest zbudowana z atomów (1)
" Demokryt z Abdery (ok. 460  ok. 370
p.n.e.
 natura jest ciągłym ruchem
materialnych, niepodzielnych
i wiecznych cząstek (atomów), których
połączenie daje w efekcie ró\
norodne
ciała; jako zwolennik determinizmu
uwa\
ał, \
e wszystko ma swojÄ… przyczynÄ™
9
Materia jest zbudowana z atomów (2)
" John Dalton (1803):
 materia składa się z niepodzielnych i
niezniszczalnych atomów;
 wszystkie atomy jednego pierwiastka sÄ…
(1766 - 1844)
identyczne;
 atomy ró\
nych pierwiastków mają ró\
ne
masy i właściwości chemiczne;
 atomy nie mogą zostać stworzone lub
zniszczone. Jeśli związek ulega rozkładowi,
atomy pozostajÄ… niezmienione.
10
5
Atom jest podzielny
Składa się z cząstek elementarnych
MASA A
ADUNEK
1,66@10-24 g + e
PROTON
r
r
r
r
9,11@10-29 g - e
ELEKTRON
s
s
s
s
1,66@10-24 g 0
NEUTRON
Ź
Ź
Ź
Ź
e = 1,602@10-19 C
11
ATOM
~ 10-18 m
~ 10-17 m ~ 10-10 m
JÄ…dro =>
12
6
Oddziaływania w atomie
" Oddziaływania natury elektrostatycznej:
 proton - elektron - przyciÄ…ganie
 proton - proton - odpychanie
 elektron - elektron - odpychanie
Prawo Coulomba:
q1 Å" q2
F ~
r2
13
Identyczność atomów
" Atomy tego samego pierwiastka majÄ… takÄ…
samą liczbę protonów w jądrze;
 Jeśli ró\
nią się liczbą neutronów, to mamy do
czynienia z izotopami tego samego pierwiastka;
 Jeśli suma ładunków elektrycznych protonów w
jądrze i elektronów  na zewnątrz jest ró\
na od
zera, to mamy do czynienia z jonami
pochodzÄ…cymi od danego pierwiastka;
" Ka\
dy pierwiastek ma przyporzÄ…dkowany
odpowiedni 1-2 literowy symbol, zwiÄ…zany
z jego łacińską nazwą
14
7
Pierwiastki i ich izotopy
liczba masowa
(protony + neutrony) º A
X Å‚ symbol nuklidu
liczba atomowa º Z
(protony)
Liczba neutronów = A - Z
Przykład - siarka ma 4 ró\
ne izotopy:
32 33
S, 16S, 34S, 36S
16 16 16
15
Jak określić masę atomów ? (1)
" Spektrometria (spektrografia) masowa pozwala
określić wzlędną masę atomów i cząsteczek
[J.J.Thompson (1907)]
Strumień
Detektor
atomów
(czÄ…stek)
Jonizacja
Strumień
Elektromagnes
zjonizowanych
czÄ…stek
16
8
Jak określić masę atomów ? (2)
" Jednostka masy atomowej (umowna!) :
12
1/12 masy izotopu = 1 j.m.a. [u]
C
6
1 j.m.a. [u] = 1, 6605" 10-24 g
1 g = 6,02214 " 1023 u
Przykład:
Naturalny węgiel składa się z izotopów
12 13 14
C (98,89%), C (1,08%), C (slady)
6 6 6
ëÅ‚12,000 u " 98,89
öÅ‚ ëÅ‚13,003 u " 1,08
öÅ‚
+ = 12,011 u
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
100 100
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
17
Jak określić ilość substancji ? (1)
" Umownie:
 1 mol danej substancji zawiera dokładnie tyle
samo cząstek, ile zawiera 12 gramów izotopu
węgla 12C
 1 atom węgla 12C ma masę 12,000 u
 1 mol węgla 12C ma masę 12,000 g
 1 mol węgla będący mieszaniną izotopów 12C,
13
C i 14C ma masÄ™ 12,011 g
" Masa mola (w gramach!) danej substancji
nosi nazwÄ™ masy molowej
18
9
Jak określić ilość substancji ? (2)
" Mole dwóch ró\
nych substancji ró\
niÄ… siÄ™ masÄ…,
choć zawierają tyle samo atomów (cząsteczek)
" Masa 1 atomu Al = 26,982 u, jest on zatem 2,2485
razy ciÄ™\
szy ni\
1 atom 12C. Taka sama jest zatem
proporcja mas molowych: 12 g ·2,2485 = 26,892 g
12
" Jeśli podzielimy masę molową C przez masę 1
atomu (w gramach), to otrzymamy liczbę atomów
w 1 molu (tak samo dla dowolnej substancji !!!)
12,000 g
= 6,0221367Å"1023 H" 6,02Å"1023 = NA
1,6605Å"10-24 g
19
Jak określić ilość substancji ? (3)
" Liczba NA nosi nazwÄ™ liczby Avogadro
" Mo\
emy zatem - posługując się pojęciem
mola - łatwo dokonywać konwersji mas na
liczbę atomów i cząsteczek i odwrotnie:
Liczba Avogadro
NA
Masa molowa
Masa Liczba Liczba atomów
substancji moli (czÄ…steczek)
Skala Skala
makroskopowa atomowa
20
10
Jak określić ilość substancji ? (4)
" Hipoteza Avogadro:
 W jednakowych objętościach
gazów znajdują się jednakowe
ilości cząsteczek
p Å"V
p Å"V = n Å" R Å"T; n =
R Å"T
n - liczba moli gazu, V - objętość gazu, p - ciśnienie gazu
(1,013·105 Pa), R - staÅ‚a gazowa (8,314 J·mol-1 ·K-1), T -
temperatura (298 K)
Objętość 1 mola gazu w warunkach normalnych
wynosi 22,414 dm3 (l)
21
Pierwiastki i zwiÄ…zki chemiczne
" Pierwiastek składa się z atomów tego
samego rodzaju (tj. majÄ…cych takÄ… samÄ…
ilość protonów w jądrze)
" Związek chemiczny składa się z ró\
nego
rodzaju atomów połączonych ze sobą
wiÄ…zaniami chemicznymi
" Mieszanina składa się z pierwiastków lub
związków chemicznych, które nie są
połączone pomiędzy sobą wiązaniami
chemicznymi
22
11
Klasyfikacja materii
MATERIA
MIESZANINY
CZYSTE
SUBSTANCJE
JEDNORODNE
NIEJEDNORODNE
PIERWIASTKI ZWI
ZKI
CHEMICZNE
METALE ROZTWORY
ROZTWORY
NIEMETALE
KOLOIDALNE (ZOLE)
23
NIEORGANICZNE ORGANICZNE
Przemiany (reakcje) chemiczne (1)
" Synteza:
A + B => AB (A i B mogą być pierwiastkami lub
zwiÄ…zkami chemicznymi)
" Analiza (rozkład):
AB => A + B (A i B mogą być pierwiastkami lub
zwiÄ…zkami chemicznymi)
" Wymiana:
AB + CD => AC + BD
(reakcja A + BC => AC + B jest przypadkiem
szczególnym)
24
12
Przemiany (reakcje) chemiczne (2)
Układanie równań chemicznych - podstawowe prawa
PRAWO ZACHOWANIA MASY:
reakcja
substraty çÅ‚ çÅ‚çÅ‚ produkty
masa substratów = masa produktów
Antoine Lavoisier, 1785
Antoine Lavoisier
PRAWO STOSUNKÓW STAA
YCH:
(1743 - 1791)
Skład chemiczny danej substancji
(wzajemny stosunek liczby atomów =
wzajemny stosunek liczby moli) jest
zawsze taki sam, niezale\
nie od
sposobu jej otrzymania Joseph-Louis Proust
(1754 - 1826)
25
Zasady uzgadniania równań reakcji chemicznych
Zapis reakcji chemicznej ma charakter równania
" Musi być spełnione prawo zachowania masy, to znaczy,
\
e po obu stronach reakcji musi być taka sama liczba
atomów ka\
dego rodzaju
" Musi być spełnione prawo stałości składu (prawo
stosunków stałych), to znaczy, \
e ka\
dy zwiÄ…zek
chemiczny będzie mieć zawsze taki sam wzór,
niezale\
nie od sposobu, w jaki został utworzony
" Je\
eli w równaniu reakcji występują jony, to
sumaryczny ładunek elektryczny jonów po prawej
stronie równania musi być taki sam jak po lewej
26
13
Co decyduje o właściwościach atomu ?
" masa (protony + neutrony + elektrony)
 prawie cała masa atomu skupiona jest w jądrze,
wkład elektronów jest niewielki
" ładunek jądra oraz liczba elektronów
 wzajemne oddziaływania o charakterze
elektrostatycznym
" uło\
enie elektronów (konfiguracja)
 istotne dla właściwości chemicznych są
zwłaszcza elektrony poło\
one daleko od jÄ…dra
27
14