ISBN (wersja drukowana) ISBN (ebook)

Transkrypt

1

2

3 REDAKCJA NAUKOWO-DYDAKTYCZNA FOLIA CHIMICA Henryk Piekarski, Małgorzata Jóźwiak RECENZENT Edward Szłyk OKŁADKĘ PROJEKTOWAŁA Barbara Grzejszczak Copyright by Piotr Seliger, 2010 Wydrukowano z dostarczonych do Wydawnictwa UŁ gotowych materiałów Wydanie I (dodruk). W S ISBN (wersja drukowana) ISBN (ebook) Wydawnictwo Uniwersytetu Łódzkiego Łódź, ul. Lindleya ksiegarnia@uni.lodz.pl tel. (42) , faks (42)

4 Spis treści 1. Wprowadzenie 5 2. Budowa atomu i układ okresowy Wiązanie chemiczne Równowagi w roztworach Analiza jakościowa kationów Analiza jakościowa anionów Równowagi kwasowo-zasadowe Analiza ilościowa wstęp i alkacymetria Reakcje redoks Potencjometria Kolorymetria Kompleksometria Nazewnictwo i izomeria związków kompleksowych Dodatek logarytmy Literatura 161

5 Słowo wstępne Skrypt ten został pomyślany jako materiał pomocniczy dla studentów I rok kierunku biologia i biotechnologia do wykładów z chemii ogólnej i nieorganicznej prowadzonych na tych kierunkach. Z moich obserwacji wynika, Ŝe przedstawienie niektórych tematów moŝe być przydatne takŝe dla studentów chemii, przy czym zwracam uwagę, iŝ materiał zawarty w tym skrypcie jest bardzo okrojony i nie obejmuje wszystkich zagadnień wymaganych na kierunku chemia. Ilość godzin wykładów w porównaniu z ilością materiału obowiązującym w minimum programowym sprawia, Ŝe aby został on zrealizowany, wykłady muszą być prowadzone w dość duŝym tempie, co z kolei powodowało błędy lub duŝe luki w notatkach studenckich. Mam nadzieję, Ŝe wraz z tym skryptem studenci będą mogli bardziej skoncentrować się na tłumaczonych zagadnieniach i na zrozumieniu omawianych tematów. Proszę nie traktować tego podręcznika jako substytut wykładów lecz jedynie jako pomoc do nich, gdyŝ część zagadnień omawianych na wykładach nie znalazła się w tych materiałach.

6 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie 5 Wprowadzenie Wprowadzenie Chemia - nauka zajmująca się materią Materia - Wszystko co posiada masę i zajmuje jakieś miejsce w przestrzeni Stół Kreda A powietrze? TeŜ jest materią. Trzy stany materii Gaz nie posiada zdefiniowanego kształtu i objętości wypełnia jakiekolwiek naczynie do którego jest wpuszczone daje się wysoce spręŝać Ciecz nie ma zdefiniowanego kształtu ale ma zdefiniowaną objętość daje się nieznacznie kompresować Ciało stałe posiada zdefiniowany kształt i objętość w zasadzie nie ulega kompresji

7 6 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie Materia Właściwości chemiczne - przemiany chemiczne jakim moŝe ulec materia łatwopalny? Łatwo reaguje z tlenem? Właściwości fizyczne: takie które nie są związane z przemianą chemiczną kolor, gęstość, stan skupienia itd. Sklasyfikujmy rodzaj przemiany: Topnienie masła Spalanie drewna Schładzanie piwa Gotowanie wody Rdzewienie gwoździ Trawienie poŝywienia Główne działy chemii Chemia nieorganiczna Chemia organiczna Chemia analityczna Chemia fizyczna Chemia teoretyczna Biochemia

8 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie 7 Troszkę matematyki = Zapis wykładniczy Zazwyczaj mając do czynienia z bardzo duŝymi lub bardzo małymi liczbami przedstawiamy je w postaci potęgi 10 Przykłady: zapisujemy jako 5 x ,000,000 zapisujemy jako 4 x 10 6 Uwaga: ujemny wykładnik oznacza Ŝe liczba jest mniejsza od 1!!! Cyfry znaczące Nie kaŝdej cyfrze jaką odczytamy z kalkulatora naleŝy wierzyć KaŜdy pomiar obarczony jest jakimś błędem, czyli obliczenia kalkulatorem równieŝ

9 8 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie Cyfry znaczące Cyfry znaczące - wszystkie cyfry w liczbie Copyright 2001 The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required f or reproduction or display. przedstawiające jakąś daną bądź wynik, które są pewne plus jedna cyfra niepewna. Dla przykładu, jeśli weźmiemy jakieś pudełko i zmierzymy jego długość, wysokość i szerokość - moŝemy obliczyć jego objętość: Długość: cm Szerokość: 3.17 cm Wysokość: 0.22 cm Objętość = 12.30cm x 3.17cm x 0.22cm = cm 3 Jak zaokrąglić? = 8.58? = 8.6? ? Rozpoznawanie cyfr znaczących Wszystkie cyfry róŝne od zera są znaczące 2.37 posiada 3 cyfry znaczące Liczba cyfr znaczących jest niezaleŝna od pozycji przecinka dziesiętnego 365.7, czy posiadają 4 cyfry znaczące Zera umieszczone pomiędzy niezerowymi cyframi są równieŝ znaczące 7205 posiada 4 cyfry znaczące

10 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie 9 Zera na końcu liczby są cyframi znaczącymi jeśli liczba posiada przecinek posiada 5 cyfr znaczących Zera na końcu liczby jeśli nie posiada ona przecinka, są niejednoznaczne względem 3000 Zera po lewej stronie od pierwszej cyfry róŝnej od zera nie są cyframi znaczącymi (zauwaŝmy: 4.5 x 10-4 ) Parę przykładów Ile cyfr znaczących znajduje się w tych przykładach? NOTACJA NAUKOWA A CYFRY ZNACZĄCE Często notację naukową uŝywa się do łatwiejszego określenia liczby cyfr znaczących. Przykład: = 7.6 x = 7.6 x = 5.0 x = 5.0 x 10-3

11 10 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie CYFRY ZNACZĄCE W WYNIKACH OBLICZEŃ I. Dodawanie i odejmowanie Wynik obliczeń nie moŝe mieć więcej cyfr znaczących niŝ jakakolwiek z wielkości która została wzięta do obliczeń. Przykład: 68.4 cm cm 68.4 cm 1.03 cm cm Poprawna odpowiedź II. MnoŜenie i dzielenie Wynik nie moŝe być bardziej dokładny, niŝ najmniej dokładna z liczb wziętych do obliczeń. Najmniej dokładną liczbą jest ta z najmniejszą liczbą cyfr znaczących = cm (na kalkulatorze) Która z liczb posiada najmniej cyfr znaczących? Tak więc poprawna odpowiedź to W przypadku mnoŝenia czy dzielenia przez liczbę całkowitą lub liczbę dokładną niepewność wyniku jest określona przez wartość mierzoną Mamy podzielić kg kiełbasy na 7 równych kawałków, ile powinien waŝyć 1 kawałek?

12 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie 11 REGUŁY ZAOKRĄGLEŃ LICZB Gdy cyfra którą chcemy odrzucić jest mniejsza od 5 wówczas nie zmieniamy poprzedzającej ją cyfry. Gdy cyfra którą chcemy odrzucić jest równa 5 lub większa, wówczas poprzedzającą ją cyfrę zwiększamy o jednostkę Zaokrąglij następującą liczbę do 3 cyfr znaczących: x 10 4 =3.35 x 10 4 Uwaga!!! NaleŜy rozróŝniać wyniki pomiarów, które są zawsze niepewne i wyniki zliczania, które są dokładne 12 jajek 11< ilość jajek<13 POMIARY Na kaŝdy pomiar składają się dwie części wartość liczbowa ORAZ jednostka Musimy mieć obydwie części Np. Mam psa który waŝy 50 gramów? dekagramów? kilogramów?

13 12 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie Podstawowe jednostki w systemie SI długość metr (m) objętość litr (L) i metr sześcienny (m 3 ) masa czas kilogram (kg) sekunda (s) temperatura kelwin (K) i st. Celsjusza ( o C) energia dŝul (J) i kaloria (cal) liczność materii mol (mol) PoniewaŜ stosujemy system metryczny który jest systemem dziesiętnym 1 metr = 10 decymetrów = 100 centymetrów UŜywane przedrostki wskazują wykładnik do jakiego podniesiono liczbę 10 Częściej spotykane przedrostki metryczne Prefiks Potęga Postać dziesiętna tera (T) giga (G) mega (M) kilo (k) deka (da) decy (d) centy (c) mili (m) mikro (µ) nano (n) piko (p)

14 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie 13 Masa i cięŝar Masa: Ilość materii w obiekcie masa jest niezaleŝna od miejsca wykonywania pomiaru CięŜ ęŝar: właściwość wszelkich obiektów mających masę wywołana grawitacją (przyciąganiem ziemskim) zaleŝy od miejsca, zaleŝy od siły grawitacji w miejscu w którym go wyznaczamy Stosowane jednostki masy: 1 kg = 1000g 1 mg = 0.001g Przy podawaniu mas obiektów naleŝy uŝywać odpowiednich skal: Ładowność cięŝarówki podawana jest w tonach Masę człowieka przedstawia się w kilogramach (US w funtach) Masę spinacza biurowego podamy w gramach Masa atomów? Dla atomów, uŝywamy atomowej jednostki masy (a.j.m) 1 a.j.m. = x g Długość - odległość między dwoma punktami duŝe odległości mierzymy w km odległości pomiędzy atomami mierzymy w nm. 1 nm = 10-9 m lub 1 Ǻ =10-10 m Objętość - przestrzeń zajmowana przez dany obiekt litr to objętość jaką zajmuje 1000 g wody w 4 stopniach Celsjusza ( o C) 1 ml = 1/1000 l = 1 cm 3

15 14 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie Objętość: 1000 cm ml 1 dm 3 1 L Mililitr i centymetr sześcienny to to samo!!! 1 ml = 1 cm 3 Objętość: 1 cm 3 1 ml Gęstość Gęstość: stosunek masy do objętości m d = V d - gęstość m - masa V - objętość najczęściej stosowane jednostki to g/cm 3, g/ml w odniesieniu do cieczy i ciał stałych oraz g/dm 3, g/l w odniesieniu do gazów Przykład obliczania gęstości Jaka jest gęstość czystego spirytusu jeśli jego objętość 48.5 ml ma masę 39.1 g? Wynik podaj w g/ml Korzystając z równania: d = m/v m d = V = 39.1 g 48.5 ml = g ml

16 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie 15 CięŜar właściwy CięŜ ęŝar właściwy: gęstość substancji porównana do gęstości wody jako standardu poniewaŝ cięŝar właściwy jest stosunkiem dwóch gęstości, nie posiada więc jednostek (jest bezwymiarowy) Często w słuŝbie zdrowia uŝywa się cieŝaru właściwego w przypadku badania próbek krwi czy moczu Przykład cięŝaru właściwego Gęstość miedzi w temperaturze 20 C wynosi 8.92 g/ml. Gęstość wody w tej samej temperaturze wynosi 1.00 g/ml. Jaki jest cięŝar właściwy miedzi? g/ml cięŝar właściwy = = g/ml korek woda mosięŝna nakrętka ciekła rtęć

17 16 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie Czas Jednostki są takie same dla wszystkich układ adów 60 s = 1 min 60 min = 1 godz = 1h Temperatura Stopień: Fahrenheit (F): zdefiniowany przez ustalenie temperatury zamarzania wody na 32 C, a temperatury wrzenia wody na 212 C Celsjusz (C): zdefiniowany przez ustalenie temperatury zamarzania wody na 0 C, a temperatury wrzenia wody na 100 C 9 F = C Temperatura Kelvin ( ) Skala Kelvina jest bardzo waŝną skalą gdyŝ jest ściśle związana z ruchem cząsteczkowym Gdy zwiększa się szybkość drgań (ruchu) molekularnego temperatura Kelvina proporcjonalnie się zwiększa Jeden w skali Kelvina jest równy jednemu stopniowi w skali Celsjusza

18 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie 17 Temperatura Kelvin (K): zero w skali Kelvina jest najniŝszą z moŝliwych temperatur, zwaną teŝ zerem bezwzględnym przeliczanie ze stopni Celsjusza K = C jeśli potrzebujemy bardziej precyzyjnego przelicznika : K = C ZaleŜności między jednostkami Jednostka 1 funt (lb) 1 cal (in.) 1 stopa (ft) Wartość w jednostkach SI g 2.54 cm cm 1 cal (in.) 2.54 cm 1 kaloria (cal) 1 galon (gal) J dm 3 Definicja mola Mol jest jednostką przeliczeniową w chemii 1 mol to ilość substancji która zawiera tyle cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) ile zawarte jest w 12g izotopu węgla 12 C 1 mol = 6.02 x cząstek (atomów, cząsteczek, jonów, gruszek!!! tak właśnie - gruszek!!!!) Liczba Avogadro - dokładna wartość:

19 18 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie liczba moli Jak przeliczać masę na mole? masa masa masa = masa molowa= liczba molowa moli masa liczba moli masa molowa masa liczba moli = masa molowa StęŜenia Z dwóch podstawowych jednostek liczności substancji (mol) objętości (litr) Podstawowa jednostka stęŝenia wyraŝająca się stęŝeniem jednego mola cząstek w jednym litrze roztworu mol/l lub mol/dm 3 lub mol L -1 lub mol dm -3 lub M StęŜenie molowe n c = V StęŜenia 1 molowy roztwór NaCl zawiera grama NaCl w 1 litrze c - stęŝenie n - liczba moli V - objętość roztworu

20 Wykłady z chemii dla studentów biologii i biotechnologii Wprowadzenie 19 StęŜenia Inne rodzaje określania stęŝeń Procent masowy (wagowy) wyraŝa liczbę części masowych substancji zawartych w 100 częściach masowych roztworu Procent objęto tościowy wyraŝa liczbę części objętościowych substancji zawartych w 100 częściach objętościowych roztworu (%V/V) Procent masowo-obj objętościowy wyraŝa liczbę części masowych substancji zawartych w 100 częściach objętościowych roztworu (% m/v) StęŜenia Inne rodzaje określania stęŝeń Często wyraŝa się stęŝenia roztworów w jednostkach masy na jednostkę objętości g/ml,, g/l, mg/ml ml,, mg/l, µg/ml W analizie śladowej: ppm - (parts parts per million) µg/ml µg/g ppb - (parts parts per billion) Uwaga - amer. billion = miliard ng/ml ng/g 1 g 1mg m 1 StęŜenia StęŜenia ppm i ppb wywodzą się od ułamków masowych (masa substancji dzielona przez masę roztworu) pomnoŝonych odpowiednio przez 10 6 i Często w mianowniku wyraŝenia zamiast masy uŝywa się objętości. 1pg 1µ g m 1ppb = = = 10 s 6 ppm = µ s = = g 1kg m 1g 1kg m r r Zadanie. Oblicz stęŝenie jonów Ag + w jednostkach ppm w 1L roztworu o d=1g/cm 3 zawierającego 0.076g AgNO 3. M Ag = 107.9, M AgNO3 = g AgNO g Ag g AgNO 3 m(ag + ) g 107.9g m(ag ) = = g 169.9g + ms 0.048g 6 c(ag ) = = = = = 48 ppm m 3 g r 1000cm 1 3 cm