Podstawy Chemii. Podstawowe pojęcia chemiczne Budowa atomu. Dr inż. Marcin Libera

Transkrypt

1 Podstawy Chemii Podstawowe pojęcia chemiczne Budowa atomu Dr inż. Marcin Libera

2 Harmonogram zajęć Terminy zajęć Wykłady (min) Laboratoria gr 1 gr 2 gr 3 Zaliczenie 02.Paź 100 P. Poż., BHP, szkło laboratoryjne 09.paź :45-16:15 16:30-18:00 18:15-19:45 kolokwium 16.paź :45-16:15 16:30-18:00 18:15-19:45 23.paź :45-16:15 16:30-18:00 18:15-19:45 30.paź :45-16:15 16:30-18:00 18:15-19:45 06.lis :45-16:15 16:30-18:00 18:15-19:45 13.lis :45-16:15 16:30-18:00 18:15-19:45 20.lis :45-16:15 16:30-18:00 18:15-19:45 27.lis 120 Kolokwium z wykładów 04.gru 11.gru Przerwa KK 18.gru gru 01.sty Przerwa świąteczna 08.sty sty sty sty 120 Egzamin 05.lut 12.lut Sesja (Egzamin)

3 Zakres merytoryczny 1. Podstawowe pojęcia i prawa chemii. 2. Budowa atomu i układ okresowy pierwiastków. 3. Budowa cząsteczek (organicznych i nieorganicznych). 4. Typy wiązań chemicznych. 5. Polarność cząsteczek. 6. Siły międzycząsteczkowe. 7. Wybrane klasy związków nieorganicznych i metody ich otrzymywania. 8. Kwasy, zasady, sole, związki amfoteryczne. 9. Dysocjacja elektrolityczna. Elektrolity silne i słabe. Dysocjacja wody i ph. 10. Hydroliza soli. Roztwory buforowe. 11. Iloczyn rozpuszczalności. 12. Typy reakcji chemicznych. 13. Elementy energetyki, kinetyki i statyki chemicznej. 14. Nazewnictwo związków chemicznych. 15. Zarys chemii organicznej: wybrane klasy związków organicznych, związki o znaczeniu biologicznym, podstawowe przemiany związków organicznych, metody otrzymywania wybranych klas związków organicznych. 16. Zasady pracy ze związkami chemicznymi. 17. Podstawowe operacje w laboratorium chemicznym. 18. Zasady postępowania z odpadami chemicznymi.

4 Zaliczenie, literatura Wykład Kolokwium, Egzamin Skala ocen: 51-60% prawidłowych odpowiedzi 3, % prawidłowych odpowiedzi 3, % prawidłowych odpowiedzi 4, % prawidłowych odpowiedzi 4, % prawidłowych odpowiedzi 5,0 Laboratorium Obecność, Sprawozdania (wszystkie muszą być zaliczone - skala ocen tak samo jak egzamin z wykładu)- wkład 70%, ocena ciągła wkład 30%. Lech Pajdowski Chemia ogólna, Adam Bielański Podstawy chemii nieorganicznej, Atkins Peter William, Jones Loretta Chemia ogólna

5 Chemia Nauka o właściwościach, budowie i przemianach substancji oraz o prawach, które rządzą tymi przemianami 1. Pierwsza książka Aleksandria (Egipt), czasy helleńskie 2. Chemeia sztuka egipska wytapiania metali 3. Alchemia z ogólnych rozważań filozoficznych, przemiana metali w złoto, eliksir życia 4. Magnus (1250) odkrycie Arsenu 5. Flogiston Johann Joachim Becher, Georg E. Stahl substancje palne są bogate we flogiston, który tracą w procesie spalania 6. Fluid ciepła (cieplik) Jędrzej Śniadecki ciepło jest fluidem, który bez żadnych strat przechodzi od ciał gorących do zimnych

6 Chemia Nauka o właściwościach, budowie i przemianach substancji oraz o prawach, które rządzą tymi przemianami 7. Robert Boyle (1661) koncepcja pierwiastka chemicznego 8. Antoin Lavoisier (1787) prawo zachowania masy, nomenklatura chemiczna 9. John Dalton (1808) prawo ciśnień cząstkowych, prawo stosunków wielokrotnych, Daltonizm 10. Dmitrij Mendelejew (1869) prawa okresowości i skonstruowanie układu okresowego pierwiastków 11. Friedrich Wöhler (1828 r.) mocznik otrzymany syntetycznie 12. Ernest Rutherford ( ) - subtelna budowa atomu 13. Heisenberg, Schrödinger, Pauli (lata 20. XX w.) chemia kwantowa

7 Rozwój nowych gałęzi chemii Astrochemia - nauka o związkach chemicznych i reakcjach chemicznych zachodzących w przestrzeni kosmicznej Biochemia - nauka zajmująca się chemią w organizmach żywych, a w szczególności biosyntezą, strukturą, stężeniem, funkcjami i przemianami substancji chemicznych w organizmach Geochemia badanie historii naturalnej Ziemi z chemicznego punktu widzenia Chemia teoretyczna - wiedza chemiczna od strony teoretycznej, czyli bez wykonywania eksperymentów w laboratorium Chemia środowiska - dziedzina chemii zajmująca się opisem zjawisk chemicznych zachodzących w środowisku przyrodniczym (atmosfera, woda, gleba)

8 Materia Ogół istniejących przedmiotów fizycznych, poznawalnych zmysłami; w ujęciu filozoficznym wszystko co istnieje w czasie i przestrzeni, obiektywna rzeczywistość niezależna od świadomości Einstein 1905 E 0 = m 0 c 2 suma masy i energii jest stała (układ zamknięty) 1. materia to wszystkie obiekty, o różnej od zera masie spoczynkowej (tzw. materia masywna) 2. materia to wszystkie obiekty złożone z elementarnych fermionów (tzw. materia fermionowa) 3. materia to wszystkie obiekty złożone z dwu odmian cząstek elementarnych (o identycznej masie i czasie życia, ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego oraz wszystkich addytywnych liczb kwantowych) 4. materia to wszystkie obiekty wytwarzające grawitację i jej podlegające, czyli o niezerowej energii

9 Substancja chemiczna Substancja jednorodna, o stałym, określonym składzie chemicznym, jakościowym (co do rodzaju atomów pod względem liczby atomowej i ewentualnie, co do poszczególnych rodzajów atomów w cząsteczce) i najczęściej ilościowym (liczby atomów różnych rodzajów w cząsteczce) Proste formy występowania w stanie wolnym pierwiastków chemicznych Złożone związki chemiczne Bertolidy niespełniające kryterium stałości składu Mieszaniny (jednorodne i niejednorodne) preparaty chemiczne lub substancje złożone

10 Substancja Substancja podstawowe pojęcie używane w aktach prawnych Unii Europejskiej dotyczących bezpieczeństwa używania, oznakowania i klasyfikacji chemikaliów. Rozporządzenie CLP (klasyfikacja oznakowania i pakowania chemikaliów) Rozporządzenie REACH (rejestracja chemikaliów) Pierwiastek chemiczny lub jego związki w stanie, w jakim występują w przyrodzie lub zostają uzyskane za pomocą procesu produkcyjnego, z wszelkimi dodatkami wymaganymi do zachowania ich trwałości oraz wszelkimi zanieczyszczeniami powstałymi w wyniku zastosowanego procesu, wyłączając rozpuszczalniki, które można oddzielić bez wpływu na stabilność i skład substancji Mieszaniny nie są substancjami chemicznymi!

11 Pierwiastek Poszukiwanie podstaw całej rzeczywistości Tales z Miletu woda Anaksymander bezkres (apeiron), Anaksymenes powietrze Heraklit ogień Empedokles woda, ogień, powietrze i ziemia (4 żywioły) Leucyp i Demokryt małe niepodzielne cząstki (atomy) Platon (Empedokles + atomizm) Arystoteles (Empedokles + Anaksymander) + eter (quinta essentia piąta esencja (kwintesencja) Dżabir Ibn Hajjan 4 żywioły + siarka i rtęć jako składnik wszystkich metali Paracelsus 4 żywioły + siarka, rtęć i sól (jatrochemia)

12 Pierwiastek Zbiór wszystkich atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze Substancja chemiczna, która składa się wyłącznie z atomów posiadających jednakową liczbę protonów w jądrze Pierwsza litera jest zawsze wielka, a pozostałe małe Co kobalt, CO tlenek węgla 118 uznawanych pierwiastków 94 występuje naturalnie na ziemi Do liczby atomowej 82 stabilne (astat przejściowy, Technet i promet niestabilne) Od 93 (bizmut) promieniotwórcze

13 Prawo zachowania masy Empedokles "W przyrodzie nie powstaje nic, co może umrzeć; nie ma całkowitego unicestwienia; nie dzieje się nic oprócz zmian i rozpadu tego co połączone Michaił Łomonosow (1756), Antoine Lavoisier (1785) "Łączna masa wszystkich substancji przed reakcją (tzw. substratów) jest równa łącznej masie wszystkich substancji powstałych w reakcji (tzw. produktów)" "Całkowita masa substancji uczestniczących w reakcji chemicznej pozostaje niezmienna "W reakcji chemicznej sumy mas produktów i substratów są sobie równe"

14 Prawo stałości składu (stosunków stałych) Joseph Louis Proust (1799) Daltonidy Stosunek ilościowy pierwiastków w każdym odrębnym związku chemicznym jest zawsze stały, charakterystyczny dla danego związku i nie zależy od sposobu powstawania tego związku Każdy związek chemiczny niezależnie od jego pochodzenia albo metody otrzymywania ma stały skład jakościowy i ilościowy Np.: wodór do tlenu w wodzie zawsze w stosunku wagowym 1:8 Bertolidy, związki niestechiometryczne

15 Prawo stałości składu (stosunków wielokrotnych) Dalton (1802) Jeżeli dwa pierwiastki A i B tworzą ze sobą więcej niż jeden związek, to masy pierwiastka A przypadające na taką samą masę pierwiastka B mają się do siebie jak niewielkie liczby całkowite Np.: woda składa się z wodoru i tlenu w stosunku wagowym 1:8, nadtlenek wodoru z wodoru i tlenu w stosunku wagowym 1:16. Masa tlenu łączącego się z taką samą masą wodoru 1g, w wodzie i nadtlenku wodoru wynosi odpowiednio 8 g i 16 g; ilości te pozostają w stosunku prostych liczb całkowitych 1:2.

16 Prawa gazów doskonałych Gaz doskonały - hipotetyczny gaz, w którym nie uwzględnia się objętości własnej cząsteczek (cząsteczki traktuje się jako punkty materialne) oraz oddziaływania pomiędzy nimi 1. Brak oddziaływań międzycząsteczkowych z wyjątkiem odpychania w momencie zderzeń cząsteczek 2. Objętość cząsteczek jest znikoma w stosunku do objętości gazu 3. Zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste 4. Cząsteczki znajdują się w ciągłym chaotycznym ruchu Klasyczny gaz doskonały Gaz Fermiego, będący zastosowaniem modelu do fermionów, np. elektronów w metalu Gaz bozonów, będący zastosowaniem modelu do bozonów, np. fotonów

17 Prawa gazów doskonałych P ciśnienie [Pa] V objętość [m 3 ] N ilość moli n=m/m R stała gazowa, R = 8,314 [J*mol -1 *K -1 ] T temperatura [K] Benoît Clapeyron (1834) Równanie stanu gazu doskonałego pv = nrt n moli (taka sama liczba cząstek) gazu, przy danej temperaturze i ciśnieniu panującym w naczyniu zajmuje zawsze taką samą objętość, niezależnie od budowy chemicznej tego gazu (V = nrt/p) w danej objętości, przy danym ciśnieniu i temperaturze, znajduje się zawsze taka sama liczba moli cząsteczek gazu, niezależnie od jego budowy chemicznej (n = pv/rt) n moli gazu zamkniętych w naczyniu o określonej objętości, przy określonej temperaturze, będzie wywierało na jego ścianki takie samo ciśnienie, niezależnie od tego, jaki to jest gaz (p = nrt/v).

18 Prawa gazów doskonałych Benoît Clapeyron (1834) Równanie stanu gazu doskonałego Równanie Clapeyrona dla jednego mola gazu ma postać pv = RT, gdzie R to stała gazowa postaci P0V0/T0, P0 ciśnienie gazu w temp = 00C, V0 objętość gazu w temp = 00C, T0 00C = 273,16 K, R = 8,314 J*mol-1*K-1, - równanie stanu gazowego: pv nrt, gdzie n to ilość moli = m/m - prawo Avogadry : objętości gazowych substratów i produktów (w jednakowych warunkach ciśnienia i temperatury) pozostają do siebie w stosunku małych liczb całkowitych, - objętość molowa gazu: Vm to stosunek masy molowej substancji do jej gęstości, w warunkach normalnych objętość molowa gazu doskonałego wynosi 22,4 dm 3 * mol -1,

19 Prawa gazów doskonałych Prawo Avogadra W tych samych warunkach fizycznych tj. w takiej samej temperaturze i pod takim samym ciśnieniem, w równych objętościach różnych gazów znajduje się taka sama liczba cząsteczek. W warunkach normalnych jeden mol gazu doskonałego zajmuje objętość Objętość molowa gazu 22,415 dm³ Warunki normalne T = 273 K, P = 1013 hpa Liczba cząsteczek (atomów) w jednym molu nosi nazwę liczby Avogadra 6, (74) x 10 23

20 Masa atomowa Masa atomu wyrażona w atomowych jednostkach masy u. Określa ona, ile razy masa atomu danego pierwiastka jest większa od 1/12 masy atomu węgla 12C. Masa atomowa pierwiastka stanowi średnią ważoną mas atomowych, uwzględniającą procentowe występowanie wszystkich izotopów danego pierwiastka w przyrodzie. Liczbowo równa się iloczynowi masy pojedynczego atomu i liczby Avogadra: MA = ma*na

21 Masa cząsteczkowa Masa jednej cząsteczki związku lub indywiduum chemicznego wyrażona w atomowych jednostkach masy u. Określa ona, ile razy masa cząsteczki jest większa od 1/12 masy atomu węgla 12C. Masa atomowa pierwiastka stanowi średnią ważoną wszystkich mas atomowych wchodzących w skład związku, uwzględniającą procentowe występowanie wszystkich izotopów danego pierwiastka w przyrodzie.

22 John Dalton Atomistyczna teoria budowy materii Jednostka masy atomowej m = 1 u = 1, (73)*10-24 g 1 g = 6, (27)*10 23 u Do roku 1961 atomowa jednostka masy wyrażana była jako 1/16 masy atomu tlenu 16O (fizycy) lub średniej masy atomu tlenu 160 (chemicy). Symbol = amu (atomic mass unit)

23 Atomistyczna teoria budowy materii Rok John Dalton przyjął, że materia jest zbudowana z atomów, będących niepodzielnymi, sprężystymi kulami (tzw. model kuli bilardowej ). Teoria Daltona składa się z następujących postulatów : Atom jest najmniejszym budulcem materii. Jest jednolity i niepodzielny. Wszystkie atomy danego pierwiastka chemicznego są identyczne (posiadają ten sam zespół właściwości). Atomy danego pierwiastka A różnią się od atomów pierwiastka B. Atomy są niezmienne i niepodzielne. Atomy danego pierwiastka A nie mogą przemienić się w atomy pierwiastka B. Atomy nie zmieniają się w trakcie reakcji chemicznych. Związki chemiczne powstają przez łączenie się pierwiastków w stałych stosunkach.

24 Nazwy pierwiastków wg Daltona

25 Mol Mol : ilość substancji chemicznej, zawierającej tyle samo cząstek (atomów, cząsteczek, rodników, jonów, elektronów ), ile atomów węgla znajduje się w 12 g nuklidu 12C. W 12 g węgla znajduje się 6,022 * atomów = N (liczba Avogadro) Jednostką w układzie SI jest kg/mol.

26 Stężenia roztworów Sposób wyrażenia zawartości składników w roztworach. - procentowe (C p ): określa masę substancji rozpuszczonej w 100 g roztworu. - molowe (C m ): liczba moli rozpuszczonej substancji zawartej w 1 litrze roztworu. - molarne : liczba moli substancji rozpuszczona w 1 kg roztworu. - molalne (m i ): liczba moli substancji rozpuszczona w 1 kg rozpuszczalnika. - ułamek molowy (N i )(składnika i) to stosunek liczby moli tego składnika ni do ogólnej liczby moli n w roztworze.

27 Układ SI Międzynarodowy Układ Jednostek Miar znormalizowany układ jednostek miar, stworzony w oparciu o system metryczny miar. Jednostki w układzie SI dzielimy na podstawowe i pochodne. Układ SI Polska przyjęła w 1966 roku, obowiązuje we wszystkich krajach świata oprócz Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej, Liberii i Mjanmy.

28 Jednostki podstawowe układu SI Nazwa Symbol Mierzona wielkość Obecna definicja (2005) Metr M Długość Jeden metr to odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/ s. Kilogram kg Masa Jeden kilogram to masa równa masie międzynarodowego wzorca kilograma. Historyczna definicja długości mierzonej wzdłuż południka paryskiego od równika do bieguna. Masa jednego litra wody. Litr to metra sześciennego.

29 Jednostki podstawowe układu SI Nazwa Symbol Mierzona wielkość Obecna definicja (2005) Sekunda s Czas Jedna sekunda to czas równy okresom promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego 2S1/2 atomu cezu 133Cs. Powyższa definicja odnosi się do atomu cezu w spoczynku w temperaturze 0 K Historyczna definicja Doba dzieli się na 24 godziny, każda godzina na 60 minut, a każda minuta na 60 sekund. Sekunda to 1 ( ) doby.

30 Nazwa Jednostki podstawowe układu SI Sym bol Mierz ona wielko ść Amper A Prąd elektr yczny Obecna definicja (2005) Jeden amper to takie natężenie stałego prądu elektrycznego, który płynąc w dwóch równoległych, prostoliniowych, nieskończenie długich przewodach o znikomo małym przekroju kołowym, umieszczonych w próżni w odległości 1 m od siebie, spowodowałby wzajemne oddziaływanie przewodów na siebie z siłą równą N na każdy metr długości przewodu. Historyczna definicja Oryginalny Międzynarodowy Amper był zdefiniowany elektrochemicznie jako prąd potrzebny do wytrącenia miligrama srebra na sekundę z roztworu azotanu srebra. W porównaniu do obecnej definicji, różnica wynosi 0,015%.

31 Nazwa Jednostki podstawowe układu SI Sym bol Mierzo na wielkoś ć Kelwin K Temper atura mol mol Licznoś ć materii Obecna definicja (2005) Definicja ta odnosi się do wody o następującym składzie izotopowym: 0, mola 2H na jeden mol 1H, 0, mola 17O na jeden mol 16O i 0, mola 18O na jeden mol 16O Jeden mol to liczność materii układu, zawierającego liczbę cząstek równą liczbie atomów zawartych w dokładnie 0,012 kilograma izotopu węgla 12C; jej symbol to 'mol. Historyczna definicja Skala Celsjusza: skala Kelvina opiera się na skali Celsjusza, lecz jest skalą termodynamiczną (0 K to zero bezwzględne). Masa cząsteczkowa podzielona przez 1 g/mol.

32 Jednostki podstawowe układu SI Nazwa Sym bol Mierzo na wielkoś ć Kandel cd Światło ść Obecna definicja (2005) Jedna kandela to światłość z jaką świeci w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 5, Hz i wydajności energetycznej w tym kierunku równej 1/683 wata na steradian. Historyczna definicja Wcześniejszą jednostką światłości była świeca.