pitagoras.d2.pl I. SUBSTANCJE CHEMICZNE BUDOWA I WŁAŚCIWOŚCI WAŻNE POJĘCIA W CHEMII: Pierwiastek chemiczny składnik prosty substancji, nie ulegający dalszemu rozkładowi w jakichkolwiek przemianach chemicznych. Atom najmniejsza ilość pierwiastka, zachowująca jego właściwości. To elektrycznie obojętna mikrostruktura, zbudowana z dodatnio naładowanego jądra, otoczonego zespołem ujemnych elektronów. Cząstki elementarne w jądrze atomu znajdują się protony (+) i neutrony (0). Protony i neutrony to nukleony. Wokół jądra na powłokach krążą elektrony ( ). Atomowa jednostka masy (unit [u]) jednostka służąca do określania masy atomów i cząstek elementarnych. A X Z m.a. Liczba atomowa (Z) to liczba protonów (+) w jądrze = liczbie elektronów ( ) otaczających jądro, odpowiada liczbie porządkowej w układzie okresowym. Liczba masowa (A) to liczba nukleonów w jądrze, czyli suma ilości protonów (+) i neutronów (0). Liczba neutronów (0) = A Z. Masa atomowa (m.a.) masa atomu wyrażona w atomowej jednostce masy (u). W układzie okresowym podana masa jest uśrednioną masą wszystkich izotopów pierwiastka, w zależności od częstości występowania w przyrodzie. Izotopy atomy tego samego pierwiastka, o tej samej liczbie atomowej, ale różniących się liczbą masową. To ten sam pierwiastek, ale różniący się liczbą neutronów (0). Np.: 1 1 H, 2 1 H, 3 1 H. Elektrony walencyjne elektrony, które mogą brać udział w tworzeniu wiązania chemicznego. W grupach głównych: są ta elektrony ostatniej powłoki. Ich ilość określa ostatnia cyfra nr grupy, w której znajduje się pierwiastek, zaś ilość powłok elektronowych określa nr okresu. Wartościowość ilość elektronów walencyjnych faktycznie użytych do wiązania chemicznego. Wartościowość przekłada się na ilość wiązań jakie tworzy dany atom. Nie może być wyższa niż ilość elektronów walencyjnych. Rdzeń atomu składa się z jądra i elektronów niewalencyjnych. Jon dodatni prosty atom pozbawiony jednego lub kilku elektronów. Jon ujemny prosty atom z przyłączonym jednym, lub kilkoma dodatkowymi elektronami. Jon złożony (dodatni lub ujemny) elektrycznie nieobojętny zespół połączonych pierwiastków. Kation jon dodatni (+) [niedobór elektronów]. Anion jon ujemny ( ) [nadmiar elektronów]. WŁAŚCIWOŚCI SUBSTANCJI CHEMICZNEJ: Fizyczne: stan skupienia, barwa, połysk, rozpuszczalność, temperatura topnienia i wrzenia, przewodnictwo elektryczne, gęstość. Chemiczne: reaktywność, zapach, smak, toksyczność, palność. GC.I.(5) 1
WŁAŚCIWOŚCI METALI I NIEMETALI: Metale cechy: stały stan skupienia, metaliczny połysk, barwa srebrzystoszara, są kowalne, przewodzą ciepło i prąd [wyjątki: rtęć jest cieczą, miedź jest różowa, złoto jest żółte] aktywność: rośnie w dół w grupie i maleje ze wzrostem liczby atomowej w okresie. Niemetale mało cech charakterystycznych, mogą występować we wszystkich stanach skupienia: stałym np. węgiel, siarka; ciekłym np. brom; gazowym np. wodór, tlen. aktywność: rośnie w górę w grupie i rośnie ze wzrostem liczby atomowej w okresie. MIESZANINY: Mieszanina niejednorodna składniki można odróżnić gołym okiem ; sposoby rozdzielania: za pomocą rozdzielacza, sączenia, mechanicznie (np. sita, magnes), przez sedymentację (opadanie), przez dekantację (zlewanie). Mieszanina jednorodna składników nie można odróżnić gołym okiem ; sposoby rozdzielania: krystalizacja (przez odparowanie rozpuszczalnika lub oziębienie roztworu), destlacja (wykorzystanie różnej lotności i temperatur wrzenia). Stopy mieszaniny jednorodne stopionych metali np. duraluminium (Al+Cu+Mg), brąz (Cu+Sn), mosiądz (Cu+Zn). Powietrze to mieszanina jednorodna 78% azotu, 21% tlenu i innych gazów (min. 0,04% CO 2 ). Dyfuzja samorzutne rozchodzenie się jednej substancji w drugiej (np. zapachu w powietrzu). RODZAJE WIĄZAŃ CHEMICZNYCH: Wiązanie kowalencyjne (atomowe) niespolaryzowane występuje w cząsteczkach homoatomowych (między atomami tego samego pierwiastka). Polega na uwspólnianiu pary elektronów. Ponieważ zdolność przyciągania elektronów w atomach tego samego pierwiastka jest identyczna, uwspólnione elektrony są tak samo silnie przyciągane przez oba atomy, nie tworzą się więc bieguny, a cząsteczka nie ma budowy polarnej. Wiązanie kowalencyjne (atomowe) spolaryzowane polega na uwspólnianiu pary elektronów. Występuje między atomami różnych pierwiastków, o różnej zdolności przyciągania elektronów, ale o stosunkowo małej tej różnicy. W wyniku tego nie może nastąpić oderwanie elektronów, a tylko uwspólnianie. Jednak uwspólnione elektrony są silniej przyciągane przez jeden z atomów. W wyniku tego nad atomem słabszym elektrony będą pojawiać się rzadziej, pojawia się cząstkowy ładunek dodatni, a nad atomem silniejszym mamy zagęszczenie chmury elektronowej i cząstkowy ładunek ujemny. Cząsteczka ma więc charakter polarny (dwubiegunowy) i jest dipolem. Ma biegun dodatni i ujemny, ale nie są to samodzielne jony. Upraszczając możemy przyjąć, że wiązanie kowalencyjne powstaje między niemetalami. Wiązanie jonowe polega na oderwaniu elektronów od atomu pierwiastka o małej zdolności przyciągania elektronów (słabszego) i przyłączeniu ich do atomu pierwiastka o dużej zdolności do przyciągania elektronów (silniejszego). W wyniku tego powstają jony: kation i anion, które to przyciągają się na zasadzie oddziaływania elektrostatycznego (plus z minusem). Wiązanie to dotyczy atomów pierwiastków o dużej różnicy, jeśli chodzi o zdolność przyciągania elektronów. Związki jonowe składają się z dodatnich kationów i ujemnych anionów rozmieszczonych na przemian w krysztale. Upraszczając możemy przyjąć, że wiązanie jonowe powstaje między metalami, a niemetalami. Wiązanie metaliczne struktura metaliczna polega na przekształceniu się atomów tego samego metalu lub różnych metali w zbiór kationów i swobodnie krążących wokół nich zdelokalizowanych elektronów stanowiących swoistą chmurę elektronową (gaz elektronowy). Zdelokalizowane elektrony są przyczyną np. dobrego przewodnictwa elektrycznego metali. 2
Wiązanie koordynacyjne polega na uwspólnianiu elektronów, jak w wiązaniu kowalencyjnym, z tą różnicą, że uwspólniane elektrony pochodzą tylko od jednego atomu (donor = dawca ), drugi atom tylko korzysta (akceptor = biorca ). RODZAJE REAKCJI CHEMICZNYCH: Reakcja łączenia (syntezy) tworzenie nowej substancji (produktu) z dwóch lub więcej substancji (substratów). [A + B C] Reakcja rozkładu (analizy) rozpad substancji na dwie (lub więcej) innych. [A B + C] Reakcja wymiany polega na przekształceniu dwóch lub więcej substancji w nowe substancje o innym ugrupowaniu atomów lub jonów wchodzących w ich skład. [A + B C + D] Inne podziały reakcji chemicznych: ze względu na zmianę stopnia utleniania reagentów: o reakcje utleniania (np. przyłączanie tlenu) o reakcje redukcji (np. odłączanie tlenu) ze względu na efekt energetyczny: o reakcje endoenergetyczne (z pobraniem energii) [np. prażenie węglanu wapnia] o reakcje egzoenergetyczne (z wydzieleniem energii) [np. spalanie metanu w kuchence, węgla w piecu, drewna w ognisku; proces wiązania gipsu i cementu; rozcieńczanie stężonego kwasu lub zasady] PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ: Promieniotwórczość to samorzutna przemiana jąder atomów jednego rodzaju w jądra innego rodzaju połączona z wysyłaniem promieniowania jonizującego (alfa, beta, gamma). Może być naturalna lub sztuczna Reakcja łańcuchowa cząstka obojętna elektrycznie (np. neutron), posiadając nawet bardzo małą energię, może wniknąć do jądra atomowego i wywoływać zaburzenie stabilności jądra i w efekcie rozszczepienie jądra. Taki pojedynczy akt może powodować dalsze rozszczepienia innych jąder atomowych, prowadząc do tzw. reakcji łańcuchowej i emitowania znacznych ilości energii (1g uranu = 2 t węgla). Działanie to znalazło zastosowanie w pracy reaktora atomowego i broni nuklearnej. Promieniowanie X (rtg) rodzaj sztucznego promieniowania emitowanego przez lampę rentgenowską, wykorzystywany np. w medycynie. UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW: Prawo okresowości właściwości fizyczne i chemiczne pierwiastków są funkcją okresową liczby atomowej, co oznacza, że okresowo się powtarzają. Układ okresowy pierwiastków, to tabela pierwiastków zapisanych zgodnie z wzrastającą liczbą atomową, z uwzględnieniem okresowo powtarzających się ich właściwości chemicznych. Mendelejew umieszczając pierwiastki w układzie kierował się wzrastającą masą atomową, ale najważniejsze dla niego były okresowo powtarzające się właściwości chemiczne. Pierwiastki o takich samych właściwościach chemicznych umieszczał w jednej kolumnie, czyli w tej samej grupie. 3
BUDOWA ATOMU: Konfiguracja elektronowa na podstawie położenia pierwiastka w układzie okresowym, jest możliwe rozpisanie ilości elektronów na powłokach. Aby rozpisać konfigurację elektronów na poszczególne powłokach, należy znać liczbę wszystkich elektronów, ilość powłok elektronowych oraz liczbę elektronów walencyjnych. Ilość elektronów dla danego atomu, który nie jest jonem, określa liczba atomowa Z (aniony mają odpowiednio więcej, zaś kationy odpowiednio mniej elektronów). Ilość powłok elektronowych określa nr okresu (nr wiersza układu okresowego). Ilość elektronów walencyjnych dla grup głównych określa ostatnia cyfra nr grupy (nr kolumny układu okresowego). Numery powłok 1, 2, 3, 4 itd odpowiadają oznaczeniom literowym powłok K, L, M, N itd. Na powłoce K mieszczą się maksymalnie 2 elektrony, na powłoce L mieści się 8, na M mieści się 18 elektronów (zgodnie ze wzorem: 2n 2 ). Rozpisując konfigurację zapisujemy ilości elektronów na poszczególnych powłokach tak, by: nie przekroczyć maksymalnych ilości elektronów dla danej powłoki, na ostatniej powłoce znajdowały się elektrony walencyjne i by suma wszystkich elektronów odpowiadała liczbie Z. W powyższy sposób możemy rozpisać pierwiastki grup 1-2 i 13-18 (grupy główne) w okresach 1-4. Układ okresowy pierwiastków Pamiętaj!!! Liczba atomowa (Z) to ilość protonów w jądrze i ilości elektronów na powłokach. Różnica liczby masowej i liczby atomowej (A Z) to ilość neutronów w jądrze. Numer grupy ostatnia cyfra numeru grupy, to ilość elektronów walencyjnych i maksymalna wartościowość pierwiastka. Numer okresu to ilość powłok elektronowych. Masa atomowa to masa atomu, którą po zaokrągleniu do całości można użyć jako liczbę masową. 4
ZADANIA: Zadanie 1. Na podstawie położenia w układzie okresowym pierwiastków, dla wybranych atomów i jonów: a) podaj skład jądra atomowego b) rozpisz konfigurację elektronową c) określ ilość powłok i ilość elektronów na ostatniej powłoce 2 15 7N Azot 14 N 1 3 11 Na Sód 23 Na 3 16 16S Siarka 32 S 3 16 16S Siarka 32 S -2 5
2 4 20 Ca Wapń 40 Ca 2 4 20 Ca Wapń 40 Ca +2 15 4 33 As Arsen 75 As Zadanie 2. Oblicz masę: a) dwóch atomów azotu b) trzech cząsteczek tlenu c) dwóch cząsteczek kw. węglowego Zadanie 3. Chlor stanowi mieszaninę dwóch trwałych izotopów. Około 75% chloru w przyrodzie stanowi izotop chloru 35 Cl, zaś 25% to izotop chloru 37 Cl. Oblicz masę atomową chloru. Zadanie 4. Azot występuje w postaci dwóch izotopów: 14 N i 15 N. Podaj zawartość procentową w przyrodzie każdego z tych izotopów wiedząc, że masa atomowa azotu wynosi 14,01 u. 6