podst_chemii_01_12

Zamiast wstępu ...

Trochę informacji ogólnych

CHEMIA (Podstawy chemii)

Wykładowca:

Prof. dr hab. Stanisław Komornicki

A-0, III p. 305 (na razie), tel (12) (617) 24-88

E-mail:

komornik@agh.edu.pl

Maile czytam prawie zawsze rano, czasem wieczorem,
odpowiadam zwykle nie później niż następnego dnia

Strona www:

http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~komornik/

konsultacje – poniedziałek 8,45 – 10, a także e-mailem

Podstawy chemii (2)

Wykład – 3 godz./tydzień – poniedziałek 12,15 – 14,30
Ć

wiczenia 4 godz./tydzień – 2 x w tygodniu

– na początku Elementy chemii (15 godz. chemii –

pierwsze 4 tygodnie zajęć)

– ćwiczenia rachunkowe (45 godzin)

Egzamin pisemny na końcu semestru – ze wszystkiego
– czyli z wykładów i ćwiczeń!
Ocena końcowa przedmiotu = 0,4•OC + 0,6•OE

Chemia ma charakter przedmiotu selekcyjnego, co
oznacza, że jego zaliczenie warunkuje dalsze studia.
Jest też wiele kolejnych przedmiotów, do których
Chemia – Podstawy chemii są niezbędne ...
Szczegóły na stronie

http://syllabuskrk.agh.edu.pl/pl

podstronie WIMiC/Technologia Chemiczna

Podstawy chemii (3)

Do czego służą wykłady i jak się zdaje egzamin ?

Program wykładów i ćwiczeń odpowiada dokładnie
zawartości egzaminu, a to, co jest w podręcznikach
niekoniecznie (zwykle jest dużo więcej).
Egzamin jest pisemny, ale jeszcze nie wiem jaki ...

raczej nie będzie to test ...

eby do niego przystąpić, trzeba zaliczyć ćwiczenia

(trzy szanse – praca w semestrze i dwa kolokwia
zaliczeniowe)

każdy ma prawo zdawać egzamin trzykrotnie, ale brak
zaliczenia w terminie egzaminu powoduje jego utratę
(patrz Regulamin Studiów)

Podstawy chemii (4)

Czy można „dać sobie radę” jeśli się „nic nie
pamięta” z chemii ?

Odpowiedź brzmi „tak, ale ...”

zaczynamy „prawie od zera” i na wykładzie i na
„elementach”

solidna praca pozwala uzyskać zaliczenie w pierwszym
terminie i zdać całkiem nieźle egzamin

Po zakończeniu semestru argument „miałem
zaległości z chemii, bo jej się nigdy nie uczyłem”
nie będzie brany pod uwagę ...

Najważniejsze

podręczniki

* A.Bielański -

Chemia ogólna i nieorganiczna

* A.Bielański -

Podstawy chemii nieorganicznej

* F.A.Cotton, G. Wilkinson, P.L.Gaus -

Chemia

nieorganiczna. Podstawy.

* J.D.Lee -

Zwięzła chemia nieorganiczna

* P.A. Cox –

Chemia nieorganiczna. Krótkie wykłady

* dla bardziej ambitnych:

* R.G.Wells -

Strukturalna chemia nieorganiczna

* L. Jones, P. Atkins –

Chemia ogólna

* Wszelkie inne podręczniki mające w nazwie – chemia

ogólna, chemia fizyczna lub chemia nieorganiczna

.... ale cytaty w czasie wykładów pochodzą tylko z trzech

książek, których na liście brak ...

Moje cytaty

Wykłady i prezentacje

* Prezentacje z wykładów, podobnie, jak same

wykłady mają charakter autorski;

* Co oznacza, że chcąc je zobaczyć wraz ze

wszystkimi animacjami i koniecznym
komentarzem, trzeba uczestniczyć w wykładach;

* Zawartość wykładów podlega corocznej

modyfikacji;

* Być może, część materiałów będzie udostępniona na

mojej stronie;

* Małe ostrzeżenie – osoby, które uważają, że

wietnie opanowały chemię w szkole średniej, a

nawet zdawały ją na maturze i to w trybie
rozszerzonym, nie powinny spocząć na laurach ...
bo w styczniu będzie trochę za późno ...

Prezentacje z wykładów

* Jeśli nie zostało to inaczej określone, źródłem

sporej części ilustracji jest Wikipedia – w innych
przypadkach, zgodnie z obyczajami, cytuję
ź

ródła;

* Zdarzają się również ilustracje mojego autorstwa;
* Wykłady nie są obowiązkowe – choć czasami

sprawdzam obecność – ale od ich uczestników
oczekuję pewnej dyscypliny – czyli np.
powstrzywania się od używania telefonów
komórkowych, rozmów, jedzenia i picia, itp.;

* Jestem natomiast otwarty na pytania – także w

czasie trwania wykładu i zwracanie uwagi na
błędy w prezentacjach (ciągle się zdarzają !)

A teraz do rzeczy ...

Czas na trochę prawdziwej chemii

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;

(cytat)

– modele powinny dać się weryfikować doświadczalnie

(relacje ilościowe prowadzą do wniosków jakościowych)

Jednostki miar w układzie SI

Wielkość

Symbol

Jednostka

Masa

kg (g)

Długość

(powierzchnia

[

objętość

[

])

Czas

Prąd elektryczny

Temperatura

Ilość materii

mol

Natężenie światła

Inne jednostki (pochodne)

Energia

kg m

-2

Częstość

-1

Siła

kg m s

-2

Ciśnienie

kg m

-1

-2

Ładunek elektryczny

A s

Pojemność elektryczna

-1

-2

Potencjał elektryczny

kg m

-3

-1

Opór elektryczny

kg m

-3

-2

Przedrostki wielokrotności jednostek

• mniejsze niż jednostka podstawowa

– m

- mili 10

-3

=0,001

– µ

- mikro 10

-6

= 0,000001

– n

- nano 10

-9

– p

- piko 10

-12

– f

- femto 10

-15

• większe

– k

- kilo 10

=1000

– M

- mega 10

= 1 000 000

– G

- giga 10

– T

- tera 10

Liczby w zapisie wykładniczym

• zapis wykładniczy:

– 0,002 m = 2 mm = 2·10

-3

– 0,0355 g = 3,55 mg = 3,55·10

-2

g = 3,55·10

-5

– 32 MW = 3,2·10

kW =3,2·10

– 1 255 000 kg = 1255 Mg = 1,255·10

kg =1,255·10

–

• działania na liczbach w zapisie wykładniczym:

– 0,01 + 1,3·10

-5

= 1·10

-2

+1,3·10

-5

=1,0013·10

-2

≈

1·10

-2

– 0,01·2·10

-3

= 1·10

-2

·2·10

-3

= 2·10

-5

– 2·10

-3

·3·10

= 6·10

= 600 ...

– ... itd

Materia jest wieczna (?)

• Anaksagoras z Kladzomen (Klazomenaj)

(ok. 500 – ok. 428 p.n.e.)

– nic się nie rodzi ani nie ginie, lecz rzeczy

istniejące łączą się, a później znów się
oddzielają ...

Materia jest zbudowana z atomów (1)

• Demokryt z Abdery

(ok. 460 – ok. 370 p.n.e.)

– natura jest ciągłym ruchem

materialnych, niepodzielnych
i wiecznych cząstek (atomów),
których połączenie daje w efekcie
różnorodne ciała

– jako zwolennik determinizmu

uważał, że wszystko ma swoją
przyczynę

Materia jest zbudowana z atomów (2)

– obalił teorię flogistonu, wykazując,

e spalanie jest łączeniem substancji

z zawartym w powietrzu
pierwiastkiem, który nazwał
oxygenium, czyli tlenem. Drugi
składnik powietrza nazwał azotem;

– opracował podstawy nomenklatury

chemicznej i napisał pierwszy
podręcznik chemii – Traité
élémentaire de chimie (1789);

– pierwiastek – wedle Lavoisiera – to

substancja, której nie da się już dalej
rozłożyć metodami analizy
chemicznej

Antoine de Lavoisier (1743 – 1794)

Materia jest zbudowana z atomów (3)

• Wcześniej za pierwiastki

uważano:

– ziemię, powietrze, wodę i ogień

• Pierwiastki wg Lavoisiera:

– tlen, wodór, azot, fosfor, rtęć,

siarka, światło i ciepło;

• Lavoisier ma w swoim dorobku

udział we wprowadzeniu
systemu metrycznego, reformy
prawa, a także metod
nawożenia w rolnictwie

• Niestety rewolucji francuskiej

nie byli potrzebni uczeni ...

Materia jest zbudowana z atomów (4)

• 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;

– atomy jednego pierwiastka łączą się z

atomami innego pierwiastka tworząc związek
chemiczny; ten sam związek chemiczny ma
zawsze taką samą liczbę atomów danego
pierwiastka (względem innych atomów);

– atomy nie mogą zostać stworzone lub

zniszczone. Jeśli związek ulega rozkładowi lub
innym przemianom, atomy pozostają
niezmienione.

(1766 - 1844)

Atom jest podzielny (XIX w.)

Składa się z cząstek elementarnych

e = 1,602

-19

MASA

ŁADUNEK

PROTON

1,66·10

-24

NEUTRON

1,66·10

-24

ELEKTRON

9,11·10

-29

– e

ATOM

~ 10

-10

Jądro =>

~ 10

-17

~ 10

-18

rysunek własny

Oddziaływania w atomie

• Oddziaływania natury elektrostatycznej:

– proton

elektron

przyciąganie

– proton

proton

odpychanie

– elektron

elektron -

odpychanie

F ~

q q

⋅

Prawo Coulomba:

Identyczność atomów

• Atomy

tego samego pierwiastka

mają taką

samą liczbę protonów w jądrze i taką samą
liczbę elektronów krążących wokół niego;

– 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

Pierwiastki i ich izotopy

symbol nuklidu

liczba masowa

(protony + neutrony)

liczba atomowa

(protony)

Liczba neutronów =

A - Z

Pierwiastki „czyste” i „mieszane”

Przykład – Siarka – ma 4 różne naturalne izotopy:

0,014

4,22

0,76

95,0

36
16

34
16

33
16

32
16

Niektóre pierwiastki (22) mają w stanie naturalnym
tylko jeden nuklid (izotop), np.:

...

Al,

Na,

Be,

27
13

23
11

9
4

itd.

Inne pierwiastki występują w przyrodzie jako mieszanina
dwóch lub więcej izotopów – naturalna cyna składa się z
dziesięciu różnych nuklidów. Skład izotopowy jest stały (z
pewną dokładnością)

Jak określić masę atomów i rozdzielać

izotopy ? (1)

• Spektrometria (spektrografia) masowa pozwala

określić wzlędną masę atomów i cząsteczek
[J.J.Thompson (1907)]

Strumień

atomów

(cząstek)

Jonizacja

Elektromagnes

Strumień

zjonizowanych

cząstek

Detektor

rysunek własny

Jak określić masę atomów ? (2)

• Jednostka masy atomowej (umowna!) :

1/12 masy atomu izotopu

= 1 j.m.a. [u]

1 j.m.a. [u] = 1, 6605•10

-24

1 g = 6,02214 •10

Masa atomowa pierwiastka jest średnią ważoną mas jego izotopów
Przykład: naturalny węgiel składa się z trzech izotopów

(slady)

(1,11%),

(98,89%),

011

100

1,11

003

100

98,89

000













•













•

Jak określić ilość substancji ? (1)

• Umownie:

– 1 mol danej substancji zawiera dokładnie tyle

samo cząstek (atomów lub cząsteczek), ile
zawiera

12 gramów

izotopu węgla

– 1 atom węgla

C ma masę 12,000 u

– 1 mol węgla

C ma masę 12,000 g

– 1 mol węgla będący mieszaniną izotopów

C ma masę 12,011 g

• Masa 1 mola danej substancji (w gramach!)

nosi nazwę masy molowej

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

C. Taka sama jest zatem

proporcja mas molowych: 12 g ·2,2485 = 26,892 g

• Jeśli podzielimy masę molową

C przez masę 1

atomu (w gramach), to otrzymamy liczbę atomów
w 1 molu (tak samo dla dowolnej substancji !!!)

0221367

1,6605

12,000

⋅

≈

⋅

−

Jak określić ilość substancji (3)

• Prawo stosunków objętościowych

(~1804):

– Objętości gazów uczestniczących

w reakcji mają sie do siebie jak
niewielkie liczby całkowite

Joseph Gay-Lussac

1778-1850

Jak zatem ma się objętość gazu do jego masy ?

Objętość gazu zależy od jego

temperatury i ciśnienia

Jak określić ilość substancji ? (4)

• Hipoteza Avogadro (1811):

– W jednakowych objętościach

gazów znajdują się jednakowe
ilości cząsteczek

⋅

;

n - liczba moli gazu, V - objętość gazu, p - ciśnienie gazu
(1,013·10

Pa), R - stała gazowa (8,314 J·mol

-1

·K

-1

), T -

temperatura (298 K)

Objętość 1 mola dowolnego gazu

w warunkach normalnych

wynosi 22,414 dm

(l)

Amedeo Avogadro

(1776 – 1856)

Liczba Avogadro (N

) :

• W 1 molu dowolnej substancji zawsze

znajduje się taka sama liczba elementów
(elektronów, atomów, cząsteczek, jonów
itd. ...)

= 6,02214179(30)·10

mol

-1

Jak określić ilość substancji ? (3)

• Liczba Avogadro (N

) bywa użyteczna, gdyż pełni

rolę „pomostu” pomiędzy światem „mikro” i „makro”

• Możemy zatem – posługując się pojęciem mola i

liczbą Avogadro – łatwo dokonywać konwersji mas
na liczbę atomów i cząsteczek i odwrotnie:

Masa

substancji

Masa molowa

Liczba

moli

Liczba Avogadro

Liczba atomów

(cząsteczek)

Skala

makroskopowa

Skala

atomowa

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

Klasyfikacja materii

MATERIA

CZYSTE

SUBSTANCJE

MIESZANINY

PIERWIASTKI

ZWIĄZKI

CHEMICZNE

METALE

NIEMETALE

NIEORGANICZNE

ORGANICZNE

JEDNORODNE

NIEJEDNORODNE

ROZTWORY

KOLOIDALNE (ZOLE)

rysunek własny

Klasyfikacja mieszanin

składnik A

składnik B

jednorodne

niejednorodne

gaz

zawsze

–

gaz

ciecz

woda
gazowana

mgła, piana

ciecz

ocet, kwas
siarkowy

emulsja
(np.mleko)

gaz

stały

wodór w
metalach

dym, kurz

cegła, pumeks

stały

ciecz

roztwór soli

zawiesiny

stały

stop

skała

Przemiany (reakcje) chemiczne (1)

• Synteza:

A + B => AB

(A i B mogą być pierwiastkami lub

związkami chemicznymi)

• Analiza (rozkład):

AB => A + B

(A i B mogą być pierwiastkami lub

związkami chemicznymi)

• Wymiana:

AB + CD => AC + BD

(reakcja A + BC => AC + B jest przypadkiem

szczególnym)

Przemiany (reakcje) chemiczne (2)

Układanie równań chemicznych - podstawowe prawa

PRAWO ZACHOWANIA MASY:

substraty

produkty

masa substratów = masa produktów

reakcja



→



Antoine de Lavoisier, 1785

PRAWO STOSUNKÓW STAŁYCH:

Skład chemiczny danej substancji
(wzajemny stosunek liczby atomów =
wzajemny stosunek liczby moli) jest
zawsze taki sam, niezależnie od
sposobu jej otrzymania

Antoine Lavoisier

(1743 - 1794)

Joseph-Louis Proust

(1754 - 1826)

Zasady uzgadniania równań reakcji chemicznych

Zapis reakcji chemicznej ma charakter równania

Musi być spełnione

prawo zachowania masy

, to znaczy,

e 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
Równanie reakcji przedstawia zarówno reagujące ze
sobą

atomy/cząsteczki

jak i

mole

substancji

Co decyduje o właściwościach atomu ?

• masa (protony + neutrony + elektrony)

– prawie cała masa atomu skupiona jest w jądrze,

wkład elektronów jest niewielki

• ładunek jądra oraz liczba elektronów

– wzajemne oddziaływania o charakterze

elektrostatycznym

•

ułożenie elektronów (konfiguracja)

– istotne dla właściwości chemicznych są

zwłaszcza elektrony położone daleko od jądra