wyklady chemia ogolna cz. 1.rtf

PODSTAWOWE POJĘCIA

Chemia jest działem nauki opisującym materię; jej właściwości, budowę, strukturę, przemiany którym
ulega oraz prawa rządzące tymi przemianami. W niniejszym rozdziale podano w skrótowej formie
podstawowe pojęcia i prawa chemii, których znajomość jest konieczna do rozpoczęcia nauki chemii.

Pierwiastek

Pierwiastek chemiczny to substancja składająca się z atomów o tej samej liczbie protonów w jądrze, czyli posiadających tą samą liczbę atomową.

Historycznie, jako pierwiastek chemiczny rozumiano substancję prostą, której nie da się rozłożyć metodami chemicznymi na prostsze składniki.

Liczba atomowa

Liczba atomowa (Z) określa liczbę protonów znajdujących się w jądrze danego atomu, i jest ona równa liczbie elektronów w atomie.

Jest to zarazem liczba porządkowa danego pierwiastka w układzie okresowym.

Liczba masowa

Liczba masowa (A) to liczba opisująca liczbę nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze danego izotopu.

Liczbę masową izotopów podaje się w lewym górnym indeksie symbolu pierwiastka. Przykładowo, symbol 12C oznacza izotop węgla posiadający 12 nukleonów w jądrze (6 neutronów i 6 protonów), natomiast 13C oznacza izotop węgla posiadający 6 nukleonów (6 protonów i 7 neutronów)

Nuklid

Nuklidem nazywamy jądro atomowe o określonej liczbie nukleonów.

Nuklidy możemy podzielić na:

- Nuklidy posiadające tą samą liczbę protonów i różną liczbę neutronów (czyli o tej samej liczbie

atomowej i różnej liczbie masowej), są to izotopy. Również atomy posiadające takie nuklidy nazywa się izotopami takiego pierwiastka.

- Nuklidy zawierające taką samą ilość neutronów, zwane izotonami.

- Nuklidy zawierające taką samą ilość nukleonów w jądrze (o równej liczbie masowej), ale różniące się liczbą atomową nazywane są izobarami.

Izotop

Izotopy to atomy posiadające ściśle określoną liczbę protonów oraz różne liczby neutronów.

Izotopy danego pierwiastka różnią się liczbą masową (czyli liczbą neutronów w jądrze) i mają prawie identyczne właściwości chemiczne.

Różne masy atomowe izotopów powodują, że różne są niektóre właściwości fizyczne, takie jak np. gęstość, temperatura wrzenia, topnienia, sublimacji.

Izotopy mogą być trwałe i nietrwałe. Trwałe izotopy nie ulegają samorzutnej przemianie na izotopy innych pierwiastków. Natomiast izotopy nietrwałe, zwane promieniotwórczymi ulegają samorzutnej przemianie na inne izotopy, przeważnie innego pierwiastka.

Izotopy oznacza się symbolem pierwiastka chemicznego z liczbą masową podaną po lewej stronie u
góry, np. 16O (izotop tlenu 16). Niektóre pierwiastki mają po kilka lub nawet kilkanaście izotopów.

1

Jedynie izotopy wodoru mają swoje oddzielne nazwy (prot - 1H, deuter - 2H, tryt - 3H), natomiast izotopy pozostałych pierwiastków nie mają oddzielnych nazw.

Mol

Mol (atomów, cząsteczek, jonów, elektronów lub innych cząstek) jest to taka ilość materii, która zawiera tyle cząstek, ile atomów węgla zawartych jest w 0,012 kg izotopu węgla 12C.
Mol jest podstawową jednostką układu SI, jest mianowaną jednostką chemiczną [g∙mol-1] będącą miarą ilości materii.

Przykłady:

15,9994 g tlenu to 1 mol atomów tlenu

31,9988 g tlenu to 1 mol cząsteczek tlenu O2 (ale 2 mole atomów tlenu) 12,011 g węgla to 1 mol atomów tlenu

44,0098 g tlenku węgla(IV) to 1 mol cząsteczek CO2

Mol odpowiada liczbowo masie atomowej lub cząsteczkowej danej substancji.

Oprócz mola używa się także jednostek pochodnych, np. kilomol [kmol] = 103 mola, milimol [mmol] = 10-3 mola, zgodnie z ogólnymi zasadami tworzenia jednostek pochodnych.

Masa atomowa

Masa atomowa jest to liczba określająca ile razy masa atomu danego pierwiastka chemicznego jest większa od 1/12 masy atomu izotopu węgla 12C.

Przykłady:

Jak łatwo zauważyć masy atomowe nie są liczbami całkowitymi. Wynika to przede wszystkim z faktu, że większość pierwiastków występujących w przyrodzie stanowią mieszaniny izotopów. Podane
wartości są więc średnimi masami atomowymi, uwzględniającymi masy atomowe poszczególnych izotopów oraz ich udział procentowy w mieszaninie.

Masa cząsteczkowa

Masa cząsteczkowa jest to liczba określająca ile razy masa danej cząsteczki jest większa od 1/12 masy atomu izotopu węgla 12C.

Masę cząsteczkową obliczamy poprzez zsumowanie mas atomowych atomów wchodzących w skład danej cząsteczki.

Masa molowa

Masa molowa jest to masa jednego mola materii.

Jednostką masy molowej jest [g/mol]. Masa molowa jest liczbowo równa masie atomowej lub cząsteczkowej.

2

Liczba Avogadra

Liczba cząstek zawartych w jednym molu jakiejś substancji zwana jest liczbą Avogadra i oznaczana jest symbolem NA.

Może ona być wyznaczona doświadczalnie wieloma metodami fizykochemicznymi, przyjmuje się obecnie, że jej wartość wynosi:

NA = 6,022045(31)∙1023 mol-1

Znajomość liczby Avogadra pozwala m.in. na obliczenie bezwzględnej masy atomu i cząsteczki.

Objętość molowa gazów

Objętość molowa gazów jest to objętość jednego mola gazu (ilości cząsteczek równej liczbie Avogadro). Objętość ta w tzw. warunkach normalnych wynosi około 22,4 dm3

Warunki normalne, warunki standardowe

Pod pojęciem warunków normalnych przyjmuje się temperaturę 0oC (273,15 K) i ciśnienie 1 atm (101325 Pa).

Pod pojęciem warunków standardowych przyjmuje się temperaturę 25oC (298,15 K) oraz ciśnienie 1 atm (101325 Pa).

Warunki normalne i warunki standardowe stanowią swego rodzaju punkty odniesienia (pozwalają na porównanie właściwości różnych substancji) w niektórych obliczeniach fizykochemicznych,
szczególnie w przypadku obliczeń prowadzonych dla fazy gazowej.

PRAWA CHEMII

Reakcje chemiczne podporządkowane są określonym prawom. Przy uzgadnianiu równań reakcji

chemicznych, będących podstawowym opisem reakcji zachodzących pomiędzy atomami, jonami i

cząsteczkami, jak również przy prowadzeniu obliczeń stechiometrycznych konieczne jest uzgodnienie równań tych reakcji przy uwzględnieniu praw chemii.

Do najważniejszych praw chemii zaliczają się m.in.:

Prawo zachowania masy

Masa produktów reakcji jest równa masie substancji wyjściowych (substratów).

Prawem ogólniejszym od prawa zachowania masy jest prawo zachowania materii:

Suma masy i energii jest wielkością stałą w danym układzie zamkniętym Σ(m+E)=const.

Prawo zachowania materii uwzględnia efekty energetyczne występujące w silnie egzotermicznych reakcjach (np. reakcje jądrowe, związek masy i energii dany zależnością Einsteina E = mc2). W reakcjach chemicznych efekty energetyczne są na tyle małe, że można je pominąć.

Prawo zachowania ładunku

Sumaryczny ładunek substratów jest równy sumarycznemu ładunkowi produktów.

Prawa gazowe

Stan każdego gazu można jednoznacznie opisać wielkościami fizycznymi takimi jak: masa (liczba moli), objętość, ciśnienie i temperatura. Są one powiązane ze sobą w określone zależności, które nazywamy prawami gazowymi.

3

Równanie Clapeyrona

Równanie stanu gazu doskonałego, zwane także równaniem Clapeyrona, jest to równanie stanu opisujące związek pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego, a w sposób przybliżony opisujący gaz rzeczywisty:

pV = nRT

gdzie:

p - ciśnienie [Pa]

V - objętość gazu [m3]
n - ilość moli [mol]

R - uniwersalna stała gazowa, R = 8,314 [J∙(mol∙K)-1]
T - temperatura bezwzględna (T [K] = T [oC] + 273,15)

Równanie to jest słuszne przy następujących założeniach:

·    gaz składa się z poruszających się cząsteczek, które są punktami materialnymi o
              zaniedbywanych rozmiarach (objętości),

·    między cząsteczkami gazu nie działają żadne siły,
·    zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste,

·    cząsteczki gazu są w ciągłym ruchu i poruszają się ruchem prostoliniowym na odcinkach
...