PODSTAWY CHEMII INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA Wykład 1 PODSTAWY CHEMII Wykładowca Dr hab. inż. Marta Radecka A-0, III p. 304, tel (12) (617) 25-26 E-mail: radecka@uci.agh.edu.pl Strona www: http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/ Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 2 Plan Zaliczenie i egzamin… Trochę historii z chemii Podstawowe prawa Związki chemii nieorganicznej Układ jednostek Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 3 PODSTAWY CHEMII Do czego służą wykłady i jak się zdaje egzamin ? Program wykładów i laboratorium odpowiada dokładnie zawartości egzaminu, a to, co jest w podręcznikach niekoniecznie Egzamin jest pisemny • żeby do niego przystąpić, trzeba zaliczyć laboratorium • każdy ma prawo zdawać egzamin trzykrotnie Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 4 Chemia jest nauką przyrodniczą Definicja: chemia jest nauką, która zajmuje się składem, strukturą i właściwościami substancji oraz reakcjami, w których jedna substancja zmienia się w inną Zasady nowoczesnej chemii: poszukiwanie prawidłowości w zachowaniu się różnych substancji poszukiwanie modeli, które tłumaczą obserwacje modele powinny tłumaczyć zachowanie innych substancji i jeśli to możliwe obejmować relacje ilościowe modele powinno dać się weryfikować doświadczalnie Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 5 Początki chemii (trochę historii) Demokryt z Abdery (ok. 460 – ok. 370p.n.e) Naturę widział jako ” Ciągły ruch małych, materialnych, niepodzielnych i wiecznych cząstek, które nazwał atomami (od 'atomos‘-niepodzielny'). Alchemicy Wierzyli w idee, że tanie metale można przeprowadzić w złoto Odkryli wiele pierwiastków oraz wiedzieli jak produkować kwasy mineralne R.Boyle Pierwszy „chemik”, który przeprowadzał ilościowe eksperymenty (opisał ilościowo zachowanie gazów) Eksperymentalnie zdefiniował substancje jako powstające z elementów, które nie mogą być rozłożone na 2 lub więcej prostszych Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 6 Materia jest zbudowana z atomów (2) John Dalton (1803): materia składa się z niepodzielnych i niezniszczalnych atomów; wszystkie atomy jednego pierwiastka są identyczne; atomy różnych pierwiastków mają różne masy i właściwości chemiczne; (1766 - 1844) atomy nie mogą zostać stworzone lub zniszczone. Jeśli związek ulega rozkładowi, atomy pozostają niezmienione. Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 7 Atom jest podzielny Przestrzeń zajęta przez elektrony Porozmawiamy o atomie jeszcze! 10-10 m Masa Ładunek proton 1.66·10-24g +e neutron 1.66·10-24g 0 elektron 9.11·10-29g -e Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 8 Identyczność atomów Atomy tego samego pierwiastka mają taką samą liczbę protonów w jądrze; Jeśli różnią się liczbą neutronów, to mamy do czynienia z izotopami tego samego pierwiastka; Jeśli suma ładunków elektrycznych protonów w jądrze i elektronów „na zewnątrz” jest różna od zera, to mamy do czynienia z jonami pochodzącymi od danego pierwiastka; Każdy pierwiastek ma przyporządkowany odpowiedni 1-2 literowy symbol, związany z jego łacińską nazwą Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 9 Pierwiastki i ich izotopy Liczba masowa A (protony + neutrony) X Liczba atomowa Z (protony) Liczba neutronów= A –Z Izotopy: takie samo Z, różne A proton neutron Przykład: Wodór ma 3 izotopy 1 2 3 H, H, H, 1 1 1 Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 10 Jak określić masę atomów ? Spektrometria (spektrografia) masowa pozwala określić wzlędną masę atomów i cząsteczek [J.J.Thompson (1907)] 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 Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 11 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 masę 12,011 g Masa mola (w gramach!) danej substancji nosi nazwę masy molowej Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 12 Jak określić ilość substancji (2)? Mole dwóch różnych substancji różnią się masą, choć zawierają tyle samo atomów (cząsteczek) Masa 1 atomu Al = 26,982 u, jest on zatem 2,2485 razy cięższy niż 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 = 6,0221367 ⋅1023 ≈ 6,02⋅1023 = NA 1,6605⋅10-24 g Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 13 Jak określić ilość substancji ? (3) Liczba NA nosi nazwę liczby Avogadro Możemy 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 (cząsteczek) Skala Skala makroskopowa atomowa Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 14 Jak określić ilość substancji ? (4) Hipoteza Avogadro: W jednakowych objętościach gazów znajdują się jednakowe ilości cząsteczek p ⋅V p ⋅V = n ⋅ R ⋅T; n = R ⋅T n - liczba moli gazu, V - objętość gazu, p - ciśnienie gazu (1,013·105 Pa), R - stała gazowa (8,314 J·mol-1 ·K-1), T - temperatura (298 K) Objętość 1 mola gazu w warunkach normalnych wynosi 22,414 dm3 (l) Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 15 Pierwiastki i związki chemiczne Pierwiastek składa się z atomów tego samego rodzaju (tj. mających taką samą ilość protonów w jądrze) Związek chemiczny składa się z różnego rodzaju atomów połączonych ze sobą wiązaniami chemicznymi Mieszanina składa się z pierwiastków lub związków chemicznych, które nie są połączone pomiędzy sobą wiązaniami chemicznymi Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 16 Układanie równań chemicznych - podstawowe prawa PRAWO ZACHOWANIA MASY: reakcja substraty ⎯ ⎯⎯→ produkty masa substratów = masa produktów Antoine Lavoisier, 1785 Antoine Lavoisier (1743 - 1791) PRAWO STOSUNKÓW STAŁYCH: Skład chemiczny danej substancji (wzajemny stosunek liczby atomów = wzajemny stosunek liczby moli) jest zawsze taki sam, niezależnie od sposobu jej otrzymania Joseph-Louis Proust (1754 - 1826) Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 17 Zasady uzgadniania równań reakcji chemicznych Zapis reakcji chemicznej ma charakter równania Musi być spełnione prawo zachowania masy, to znaczy, że po obu stronach reakcji musi być taka sama liczba atomów każdego rodzaju Musi być spełnione prawo stałości składu (prawo stosunków stałych), to znaczy, że każdy związek chemiczny będzie mieć zawsze taki sam wzór, niezależnie od sposobu, w jaki został utworzony Jeżeli w równaniu reakcji występują jony, to sumaryczny ładunek elektryczny jonów po prawej stronie równania musi być taki sam jak po lewej Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 18 Sposób zapisywania wzorów chemicznych ładunek jonu liczba masowa A Xm(+) liczba atomów Z n liczba atomowa w cząsteczce związku Wzór chemiczny substancji jest zawsze taki sam. W każdej cząsteczce wody na 1 atom tlenu przypadają 2 atomy wodoru (H2O). W każdym molu wody na NA atomów tlenu przypada 2· NA atomów wodoru. Wzór cząsteczki i skład mola nie zależy od sposobu otrzymywania. Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 19 Podział związków nieorganicznych (1) Związki pierwiastków z tlenem Tlenki metali - MenOm, np. MgO, Fe2O3, WO3 .... Tlenki niemetali - XnOm, np. CO, CO2, SO3, P4O10 Połączenie z fluorem OF2 (fluorek tlenu) Wodorotlenki metali - składają się z metalu i grup wodorotlenowych OH (wodne roztwory wodorotlenków = zasady) Wzór ogólny wodorotlenków Me(OH)m, np. NaOH, Ca(OH)2, Al(OH)3, Fe(OH)3 Kwasy - związki niemetali z wodorem lub z tlenem i wodorem - składają się z wodoru i reszty kwasowej (złożonej z niemetalu lub niemetalu i tlenu) Wzór ogólny kwasów beztlenowych - HnX, np. HCl, HF, H2S, Wzór ogólny kwasów tlenowych - HnXmOy, np. HNO3, H3PO4, H2SO4, H3PO4 Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 20 Podział związków nieorganicznych (2) Sole - grupa związków nieorganicznych pochodzących od kwasów i zasad: Sole kwasów beztlenowych: NaCl, CaF2, K2S, .... Sole kwasów tlenowych: Na2SO4, KNO3, Ca3(PO4)2.... Sole obojętne: Na2CO3, K3PO4, AlCl3 .... Wodorosole: NaHCO3, K2HPO4, KH2PO4 ..... Wodorotlenosole: Al(OH)Cl2, Al(OH)2Cl ..... Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 21 Otrzymywanie tlenków Reakcja metali i niemetali z tlenem: 4Al + 3O2 ⎯ ⎯→ Al2O3 S + O2 ⎯ ⎯→ SO2 Reakcja wymiany: Fe2O3 + 2Al ⎯ Al2O3 + Fe ⎯→ Rozkład soli, kwasów, wodorotlenków: CaCO3 ⎯ ⎯→CaO + CO2 H2CO3 ⎯ H2O + CO2 ⎯→ 2Fe(OH)3 ⎯ Fe2O3 + 3H2O ⎯→ Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 22 Otrzymywanie kwasów i wodorotlenków reakcja niemetalu z wodorem : H2 + Cl2 → 2HCl reakcja tlenku metalu z wodą : SO3 + H2O → H2SO4 reakcja kwasu z solą : Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 → 3CaSO4 + 2H3PO4 reakcja metalu z wodą : 1 Na + H2O → NaOH + H2 ↑ 2 reakcja tlenku metalu z wodą : CaO + H2O → Ca(OH)2 reakcja soli z wodorotlenkiem : FeCl3 + 3NaOH → Fe(OH)3 ↓ +3NaCl Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 23 Otrzymywanie soli (niektóre reakcje) metal + niemetal: 3 Fe + Cl2 → FeCl3 2 metal + kwas : Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2 ↑ wodorotlenek + kwas : NaOH + HCl → NaCl + H2O tlenek metalu + tlenek niemetalu : CaO + SO3 → CaSO4 tlenek metalu + kwas : MgO + 2HCl → MgCl2 + H2O reakcja wymiany: Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 → 3CaSO4 + 2H3PO4 FeCl3 + 3NaOH → 3NaCl + Fe(OH)3 ↓ Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 24 Jednostki miar w układzie SI Układ SI (franc. Système International d'Unités) - Międzynarodowy Układ Jednostek Miar Wielkość Symbol Jednostka Masa m kg (g) Długość l m (powierzchnia S [m2], objętość V [m3]) Czas t s Prąd elektryczny I A Temperatura T K Ilość materii n mol Natężenie światła Iv cd Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 25 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 Ładunek elektryczny C A s Pojemność elektryczna F A2 s4 kg-1 m-2 Potencjał elektryczny V kg m2 s-3 A-1 Opór elektryczny Ω kg m2 s-3 A-2 Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 26 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 Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 27 Temperatura-przeliczanie Rodzaje skali Fahrenheita Rankina (absolutna w oparciu o oF) Celsiusa Temperatura wrzenia wody Kelvina (absolutna w oparciu o oC) Temperatura C = 100/180 * (F - 32) pokojowa F = (180/100)*C + 32 K = C + 273.15 Temperatura - 40 oF = - 40 oC krzepnięcia wody Inżynieria Biomedyczna, I rok 2006-12-13 28