Operator_urzadzen_przemysłu_ceramicznego_813[01].Z2.01

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenie

4. Materiał nauczania

4.1. Budowa materii

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Substancje chemiczne stosowane w przemyśle ceramicznym

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Reakcje chemiczne

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Mieszaniny, roztwory, koloidy

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Wybrane pojęcia z krystalochemii

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy z zakresu stosowania

podstawowych pojęć z zakresu chemii ceramicznej.

W Poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,

−

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,

−

materiał nauczania – podstawowe wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania
treści jednostki modułowej,

−

zestaw pytań przydatny do sprawdzenia, czy juŜ opanowałeś podane treści,

−

wiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować

umiejętności praktyczne,

−

sprawdzian postępów, który pomoŜe Ci określić, czy opanowałeś, materiał nauczania,
odpowiadając na pytanie tak lub nie,

−

sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań i pytań, pozytywny wynik sprawdzianu
potwierdzi, Ŝe dobrze pracowałeś podczas zajęć i Ŝe nabyłeś wiedzę i umiejętności
z zakresu tej jednostki modułowej,

−

literaturę uzupełniającą, z której moŜesz korzystać w czasie nauki.
W materiale nauczania zostały omówione zagadnienia z zakresu budowy materii, reakcji

chemicznych, mieszanin, roztworów, koloidów, wybranych pojęć z krystalochemii.

Poznanie przez Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości będzie stanowiło dla

nauczyciela podstawę przeprowadzenia sprawdzianu Twoich osiągnięć. W tym celu
nauczyciel moŜe posłuŜyć się zadaniami testowymi.

W rozdziale 5 tego poradnika jest zamieszczony przykład takiego testu, zawiera on:

a) instrukcję, w której omówiono tok postępowania podczas przeprowadzania sprawdzianu,
b) przykładową kartę odpowiedzi, w której zakreśl poprawne rozwiązania poszczególnych

zadań.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

813[01].Z2.01

Stosowanie podstawowych pojęć

z zakresu chemii ceramicznej

813[01].Z2.03

Formowanie wyrobów z mas

plastycznych

813[01].Z2.02

Przygotowywanie surowców

i mas ceramicznych

813[01].Z2.04

Formowanie wyrobów z mas

sypkich

813[01].Z2.08

Zdobienie i szkliwienie wyrobów

ceramicznych

813[01].Z2.06

Suszenie wyrobów ceramicznych

813[01].Z2.07

Wypalanie wyrobów ceramicznych

813[01].Z2.05

Formowanie wyrobów z mas

lejnych

813[01].Z2

Technologia produkcji wyrobów

ceramicznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

scharakteryzować podstawowe pojęcia z zakresu chemii ceramicznej,

−

posłuŜyć się terminologią z zakresu chemii ceramicznej,

−

określić właściwości chemiczne pierwiastków stosowanych w przemyśle ceramicznym,

−

scharakteryzować podstawowe dla przemysłu ceramicznego związki nieorganiczne
i organiczne,

−

rozróŜnić rodzaje reakcji chemicznych, na podstawie zapisu równania reakcji,

−

określić stany skupienia materii oraz róŜnice między mieszaninami, roztworami
i układami koloidalnymi,

−

scharakteryzować zjawisko koagulacji, peptyzacji, tiksotropii, upłynniania gęstw
ceramicznych,

−

wyjaśnić podstawowe pojęcia z zakresu krystalochemii tlenków,

−

sporządzić roztwory i mieszaniny, na podstawie receptur i instrukcji technologicznych,

−

pobrać próbki do podstawowych analiz z magazynów lub linii produkcyjnych,

−

dobrać sprzęt laboratoryjny do realizacji określonych zadań.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Budowa materii

4.1.1. Materiał nauczania

Składniki atomu

Najistotniejszą cechą materii jest jej ziarnistość, czyli nieciągłość. „Ziarenkami” są atomy

oraz róŜne produkty ich połączeń bądź przekształceń: cząsteczki, jony i inne, zwane łącznie
drobinami. Wspólną cechą wszystkich drobin jest to, Ŝe stanowią stabilne układy
mikroskopowe zbudowane z jąder atomowych i elektronów.

−

Atom jest to drobina elektroobojętna zawierająca jedno jądro.

−

Jądro atomowe jest to centralna część atomu skupiająca cały ładunek dodatni atomu,

−

Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów,

−

Proton jest składnikiem jądra o ładunku dodatnim, neutron jest składnikiem jądra
atomowego o ładunku elektrycznie obojętnym,

−

Elektron jest to cząstka o ładunku ujemnym i masie niemal 2000 razy mniejszej od
najlŜejszego jądra,

−

Promień atomowy jest połową odległości między dwoma sąsiednimi jądrami,

−

Liczba  atomowa  (symbol  Z)  jest  to  liczba  ładunków  dodatnich  w  jądrze,  jest  równa
liczbie  protonów  w  jądrze  oraz  liczbie  elektronów  w  atomie.  Liczba  Z  jest
niepowtarzalną  cechą  charakterystyczną  pierwiastka  chemicznego  (nie  istnieją  dwa
pierwiastki  o  takiej  samej  liczbie  atomowej),  jest  toŜsama  z  „numerem”  pierwiastka
w tablicy  Mendelejewa.  O kolejności  miejsc  zajmowanych  przez  pierwiastki  w  tablicy
Mendelejewa  decyduje  liczba  atomowa.  Atom  kaŜdego  kolejnego  pierwiastka  zawiera
więc o jeden proton i o jeden elektron więcej niŜ jego poprzednik,

−

Liczba masowa (symbol A) jest to liczba nukleonów w jądrze, czyli suma liczby
protonów i neutronów.

Tabela 1. Elementarne składniki atomów [5, s. 49]

Cząstka

Symbol

Ładunek [e]

Liczba cząstek w atomie

(Z – liczba atomowa,

A – liczba masowa)

Proton

Neutron

A–Z

Elektron

- 1

Powłoki elektronowe

Nie da się obliczyć ani wyznaczyć doświadczalnie toru, po jakim porusza się elektron.

MoŜna  jedynie  obliczyć,  w  jakiej  odległości  od  jądra  przebywa  on  najczęściej  i  jakie  są
szanse na pojawienie się elektronów w innym określonym rejonie. Elektron zachowuje się jak
kulista  chmura  ładunku  ujemnego  o  gęstości  ładunku  malejącej  w  miarę  wzrostu  odległości
od  jądra.  NajwaŜniejszą  wielkością  charakteryzującą  elektron  jest  jego  energia.  Elektrony
tworzą zespoły o zbliŜonych energiach. Grupa elektronów o zbliŜonych wartościach energii to
powłoka elektronowa. Powłoki elektronowe mają symbole K, L, M, N, O, P, Q i numery 1, 2,
3, 4, 5, 6, 7.

Numer powłoki

Symbol powłoki

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Liczba powłok elektronowych w atomie danego pierwiastka jest równa numerowi okresu,

do którego naleŜy ten pierwiastek w tablicy Mendelejewa. Maksymalna liczba elektronów
w powłoce wynosi 2n

(n – numer powłoki).

Numer powłoki

Rozmieszczenie elektronów w powłokach zapisuje się w postaci kolejnych liter alfabetu

(począwszy od K), oznaczających powłoki (uporządkowane od najbliŜszej jądra do
najdalszej) i prawych górnych indeksów określających liczbę elektronów w danej powłoce,
na przykład:

Ba K

Elektrony walencyjne są to elektrony poruszające się w zewnętrznej strefie atomu.

Elektrony te, biorące udział w tworzeniu wiązań chemicznych, są słabo związane z jądrem.

Prawo okresowości mówi, Ŝe właściwości pierwiastków zmieniają się okresowo ze

wzrostem  liczby  atomowej.  Okres  jest  uporządkowanym,  według  wzrastających  liczb
atomowych,  szeregiem  pierwiastków,  których  atomy  zawierają  identyczną  liczbę  powłok
elektronowych.  Grupa  jest  uporządkowaną  według  wzrastających  liczb  atomowych  kolumną
pierwiastków,  których  atomy  mają  charakterystyczną  konfigurację  walencyjną  i  tę  samą
liczbę elektronów walencyjnych.

Przekształcenie atomów w inne drobiny
Reguła helowca

Przyczyną przekształcania się atomów w inne drobiny jest dąŜenie do obniŜenia energii.

ObniŜenie energii łączących się atomów następuje wówczas, gdy kaŜdy z nich uzyska trwałą
konfigurację walencyjną. Trwała konfiguracja walencyjna jest to konfiguracja helowca, czyli
2 elektrony (dublet walencyjny) w przypadku powłoki pierwszej lub 8 elektronów (oktet
walencyjny) w przypadku kaŜdej następnej.

Konfigurację walencyjną helowca pierwiastki uzyskują trzema sposobami przez:

–

przeniesienie elektronów, które powoduje utworzenie wiązania jonowego,

–

uwspólnienie elektronów, które powodują utworzenie wiązania kowalencyjnego,

–

delokalizację elektronów, która powoduje utworzenie wiązania metalicznego.
O rodzaju powstającego wiązania decyduje konfiguracja walencyjna tworzonych je

atomów.  Pierwiastki  znajdujące  się  na  początku  kaŜdego  okresu  tablicy  Mendelejewa,  czyli
metale,  oddają  wszystkie  elektrony  z  powłoki  zewnętrznej,  uzyskując  w  ten  sposób
konfigurację helowca zamykającego okres poprzedni. Na przykład sód uzyskuje w ten sposób
konfigurację neonu:

Rys. 1. Konfiguracja elektronowa atomu i jonu sodu [5, s. 62]

Automatycznie, powłoką zewnętrzną, staje się w tych przemianach powłoka

przedostatnia, ta zaś zawiera oktet lub dublet elektronowy.

Atom pozbawiony elektronu przestaje być elektrycznie obojętny. Przybiera ładunek

dodatni, poniewaŜ liczba protonów w jądrze pozostaje bez zmian i liczba ładunków dodatnich
jądra przewyŜsza liczbę elektronów. Wytworzona w ten sposób nowa drobina to jon dodatni,
czyli kation. Tworzenie kationów jest typową cechą metali.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wymiary jonów są inne niŜ wymiary ich macierzystych atomów. Usunięcie elektronu

powoduje zmniejszenie odpychania między elektronami. Dzięki temu elektrony zbliŜają się
do jądra i zostają silniej z nim związane. W konsekwencji wszystkie kationy mają promienie
mniejsze niŜ atomy, z których się utworzyły (rys. 1).

Niemetale, pierwiastki znajdujące się przy końcu okresu, mogą przyłączyć do

zewnętrznej powłoki tyle elektronów, ile brakuje im do konfiguracji helowca zamykającego
okres. Na przykład chlor uzyskuje w ten sposób konfigurację argonu:

Rys. 2. Konfiguracja elektronowa atomu i jonu chloru [5, s. 63]

Atom, który przyłączył elektron, staje się jonem ujemnym, czyli anionem. Tworzenie

anionów jest typową cechą niemetali. Wszystkie aniony mają promienie większe niŜ
macierzyste atomy.

Typy wiązań chemicznych

Wiązanie jonowe jest to wiązanie utworzone przez przemieszczenie jednego lub kilku

elektronów między atomami z równoczesnym powstaniem jonów, które się przyciągają.

Elektrony przemieszczają się z atomu metalu do atomu niemetalu. Atom metalu

przekształca się w kation, a atom niemetalu w anion. Typowym przykładem takiego procesu
moŜe być reakcja sodu z chlorem, której produktem jest chlorek sodu, NaCl (rys. 3).

Substancje o wiązaniu jonowym tworzą w stanie stałym jonową sieć krystaliczną (rys. 6a).

Rys. 3. Schemat tworzenia cząsteczki chlorku sodu.(skrót ew oznacza elektrony walencyjne) [5, s. 63]

Wiązanie kowalencyjne jest to wiązanie utworzone przez uwspólnienie elektronów.

Atomy,  które  uwspólniły  elektrony,  przekształcają  się  w  cząsteczkę,  czyli  drobinę  obojętną
elektrycznie,  zbudowaną  z  jąder  atomowych  i  elektronów.  Część  elektronów  porusza  się
wokół  pierwszego  jądra,  część  wokół  drugiego,  a  kilka  wokół  obu  jąder  i  te  ostatnie  są
nazywane  elektronami  wiąŜącymi  lub  uwspólnionymi.  Wspólne  elektrony  zachowują  się  jak
chmura  ładunku,  rozprzestrzeniona  wokół  jąder  i  wykazująca  znaczną  gęstość  w  obszarze
międzyjądrowym.  Chmura  ta  nakłada  się  na  chmury  innych  elektronów  walencyjnych
i rdzeniowych.  Typowym  przykładem  cząsteczki  powstającej  na  tej  zasadzie  jest  cząsteczka
chlorowodoru HCl (rys. 4):

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 4.

Schemat tworzenia cząsteczki chlorowodoru (skrót ew oznacza elektrony walencyjne) [5, s. 63]

KaŜdy atom „oddelegowuje” jeden elektron do utworzenia wspólnego zespołu

elektronowego (w tym przypadku dwuelektronowego), w schemacie zaznaczonego symbolem
2 ew (dwa elektrony walencyjne) między symbolami atomów (rys. 4). Wokół obu jąder
utworzyła się trwała konfiguracja walencyjna, złoŜona z 8 elektronów.

Substancje zbudowane z cząsteczek tworzą w stanie stałym cząsteczkową sieć

krystaliczną (rys. 6b).

Wiązanie metaliczne (rys. 5) jest to wiązanie występujące w metalach i ich stopach,

polegające  na  oddziaływaniu  zdelokalizowanych  elektronów  i  jonów  dodatnich  tworzących
sieć  krystaliczną.  Delokalizacja  elektronów  następuje  w  samych  metalach,  jak  i  w  ich
stopach.

Po oderwaniu elektronów od atomów, powstałe kationy tworzą sieć krystaliczną,

a uwolnione elektrony poruszają się swobodnie w obrębie całej próbki makroskopowej, stąd
określenie delokalizacja.

Rys. 5. Schemat tworzenia wiązania metalicznego [5, s. 64]

Sieć krystaliczną metalu przedstawiono na rysunku 6c.

Rys. 6. Schematy sieci krystalicznych: a) jonowej, b) cząsteczkowej, c) metalicznej (niebieskie kropki

oznaczają swobodnie poruszające się elektrony) [5, s. 64]

Wiązania wodorowe (mostek wodorowy) powstają między atomem wodoru, na którym

znajduje się ładunek dodatni, a wolną parą elektronową atomów takich pierwiastków jak:
O, N, S. Wiązania wodorowe są słabe, ich konsekwencją jest łączenie się cząsteczek

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w większe zespoły. Występują w organicznych masach plastycznych i wielu strukturach
krzemianów.

Wiązania van der Waalsa zasadniczo występują wszędzie między atomami, jonami lub

cząsteczkami obok innych wiązań. Jest to wiązanie najsłabsze i dlatego na ogół działanie jego
jest  zamaskowane  przez  wiązanie  innego  typu.  Wiązania  te  są  wynikiem  działania  tzw.  sił
dyspersji. Wielkość sił dyspersji wzrasta ze wzrostem promienia jonu. W krzemianach, w tym
w  wielu  rodzajach  minerałów  ilastych,  mamy  równieŜ  do  czynienia  z  wiązaniami  van  der
Waalsa.  Siły  te  wiąŜą  pakiety  minerałów  o strukturze  warstwowej  lub  warstwy  jonów,  na
przykład  w  talku.  Talk  –  warstwowy  zasadowy  krzemian  magnezu  Mg  [Si

](OH)

właśnie to słabe wiązanie między pakietami i dlatego znany jest z łatwego ścierania, nawet
paznokciem.

Wzory elektronowe

Rodzaj wiązania chemicznego moŜna uwidocznić stosując wzory elektronowe, czyli

wzory

strukturalne

zaznaczonym

rozmieszczeniem

elektronów

wspólnych

i nieuwspólnionych.  Istnieją  dwa  rodzaje  wzorów  elektronowych:  kropkowe  (w których
kaŜdy  elektron  jest  zaznaczony  kropką)  i  kreskowe  (w  których  kaŜda  para  elektronów  jest
zaznaczona  kreską).  Rysuje  się  tylko  elektrony  z  zewnętrznych  powłok  atomów
przekształconych w drobinę.

W celu wyjaśnienia powstania wiązania, moŜna narysować schemat uwidaczniający,

które elektrony uczestniczyły w tworzeniu wspólnych par. W takim przypadku elektrony
walencyjne pojedynczych atomów – substratów przemiany – rysuje się kropkami wokół
symbolu w sposób przedstawiony w tabeli 2.

Tabela 2. Elektronowe wzory kropkowe pojedynczych atomów [5, s. 65]

Za pomocą symboli chemicznych z kropkami, oznaczającymi elektrony walencyjne,

moŜna  przedstawić  przegrupowania  elektronowe,  stanowiące  istotę  reakcji  chemicznych,  jak
i budowę  substancji  w  postaci  wzorów  elektronowych.  Rysunek  7  przedstawia
przegrupowania  elektronowe  zachodzące  w  przypadku  tworzenia  wiązania  jonowego
i kowalencyjnego.

Rys. 7. Schemat powstawania wiązania kowalencyjnego i jonowego z zastosowaniem elektronowych wzorów

kropkowych [5, s. 65]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WiąŜące wspólne pary elektronowe zaznacza się dwoma kropkami umieszczonymi

w środku między symbolami pierwiastków. Pozostałe pary elektronów, czyli elektronów
nieuwspólnionych, zwane wolnymi lub niewiąŜącymi, rysuje się dwoma kropkami
przylegającymi do symbolu.

We wzorach kreskowych wspólną parę elektronową zaznacza się kreską łączącą symbole

(tak samo jak w kreskowych wzorach strukturalnych), a wolne pary elektronowe rysuje się
w postaci kresek przylegających do symbolu.

Rys. 8. Schemat powstawania wiązania atomowego i jonowego z zastosowaniem elektronowych wzorów

kreskowych [5, s.

65]

Układ dwóch wspólnych elektronów (jedna para), stanowiących wiązanie kowalencyjne,

nazywany jest wiązaniem pojedynczym.

Liczba uwspólnionych elektronów powinna być taka, aby dla obu łączących je atomów

została  spełniona  reguła  helowca.  JeŜeli  utworzenie  jednej  wspólnej  pary  elektronowej  nie
wystarcza  dla  uzyskania  oktetu,  to  moŜe  nastąpić  uwspólnienie  dwóch  lub  trzech  par.  JeŜeli
uzyskanie  oktetu  następuje  po  uwspólnieniu  czterech  elektronów  (czyli  dwóch  par),  to  taki
układ  nazywamy  wiązaniem  podwójnym.  Istnieją  teŜ  potrójne  wiązania  kowalencyjne
utworzone  przez  trzy  wspólne  pary  elektronów.  Przyczyną  tworzenia  róŜnej  liczby  wiązań
chemicznych przez poszczególne pierwiastki jest róŜna liczba elektronów walencyjnych.

Opisane reguły tworzenia wiązań chemicznych ujawniają przyczynę tworzenia róŜnej

liczby wiązań przez poszczególne pierwiastki i wyjaśniają, czym jest wartościowość
w interpretacji elektronowej.

Wartościowość pierwiastka jest równa liczbie elektronów, które atom oddaje, tworząc

kation, lub przyjmuje, tworząc anion, albo uwspólnia, tworząc wiązanie kowalencyjne.

Wiązania chemiczne występujące w krzemianach

Krzemiany są zbudowane z bardzo wielu jonów (atomów) róŜnych pierwiastków i często

tak zastępowanych, Ŝe wzór trudno ustalić.

Połączenia chemiczne moŜna najogólniej podzielić na:

−

połączenia pierwszego rzędu (związki atomów lub jonów między sobą),

−

połączenia drugiego rzędu (wysycone drobiny).
Krzemiany naleŜą więc raczej do pierwszej grupy, chociaŜ często spotykane są drobiny

związane strukturalnie z ich siecią (na przykład drobiny wody w minerale tzw.
montmorillonicie).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jak zbudowane jest jądro atomowe?
2.  Co to jest i jaki ma symbol liczba atomowa?
3.  Co to jest i jaki ma symbol liczba masowa?
4.  Jak się określa powłokę elektronową?
5.  Jakie są numery i symbole powłoki?
6.  Jak powstają wiązania jonowe?
7.  Jak powstają wiązania kowalencyjne?
8.  Jak powstają wiązania metaliczne?
9.  Jakie wiązania występują w krzemianach?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przyporządkuj, wymienionym w kolumnie 1, terminom odpowiadające im informacje

z kolumny 2.

Terminy

Informacje

Jądro atomowe.

Jest połową odległości między dwoma sąsiednimi jądrami.

Elektron.

Jest równa liczbie elektronów w atomie.

Liczba atomowa.

Jest elektrycznie obojętny.

Promień atomowy.

Cząsteczka o ładunku ujemnym.

Atom.

Ma tyle elektronów ile protonów.

Neutron.

Skupia dodatni ładunek atomu.

Terminy

Informacje

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać i przeanalizować treść ćwiczenia,
2)  przyporządkować wymienionym terminom odpowiednie informacje,
3)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Uzupełnij tabelę o brakujące dane.

Symbol pierwiastka

Liczba elektronów

Numer grupy

Powłokowa konfiguracja
elektronowa

, L

, M

, L

, M

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować wypełnione pola tabeli,
2)  wypełnić wolne pola w tabeli,
3)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zeszyt,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Uzupełnij poniŜsze równania elektronowe, obserwując przekształcenia atomów w inne

drobiny:
a) Ca → Ca

+…….

b) Cl + e

→….

c) Sn → Sn

+……

d) N +3…→ N

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeanalizować zapis równań elektronowych,
2)  wypełnić miejsca kropkowane,
3)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zeszyt,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 4

Połącz hasło z opisem.

Hasło

Opis

Wiązanie jonowe

Wiązanie utworzone przez uwspólnienie elektronów. Atomy, które
uwspólniły elektrony, przekształcają się w cząsteczkę. Substancje
o wiązaniu jonowym tworzą w stanie stałym jonową sieć krystaliczną.

Wiązanie
kowalencyjne

Wiązanie występujące w metalach i ich stopach, polegające na
oddziaływaniu

zdelokalizowanych

elektronów

jonów

dodatnich

tworzących sieć krystaliczną

Wiązanie metaliczne

Stanowiących podstawowe składniki surowców i tworzyw ceramicznych

Wiązania chemiczne
występujące
w krzemianach

Atom metalu przekształca się w kation, a atom niemetalu w anion.
Substancje zbudowane z cząsteczek tworzą w stanie stałym cząsteczkową
sieć krystaliczną.

Hasło

Opis

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeczytać określone treści z poradnika dotyczące wiązań chemicznych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2)  zastanowić się nad opisem poszczególnych haseł,
3)  połączyć hasło z opisem, uzupełniając miejsce w tabelce,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zeszyt,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojęcie liczby atomowej?



2) zdefiniować pojęcie liczby masowej?



3) zdefiniować pojęcie powłokowej konfiguracji elektronowej?



4) wyjaśnić, jak powstaje wiązanie jonowe?



5) wyjaśnić, jak powstaje wiązanie kowalencyjne?



6) wyjaśnić, jak powstaje wiązanie metaliczne?



7) zdefiniować pojęcie krzemianów?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Substancje chemiczne stosowane w przemyśle ceramicznym

4.2.1. Materiał nauczania

Rola pierwiastków stosowanych w przemyśle ceramicznym

RóŜne liczby wartościowości, występujących u takich pierwiastków jak: chrom (II, III,

VI), mangan (II, III, IV, VI, VII) związane są z istnieniem nieparzystych elektronów na
zewnętrznej powłoce i na powłoce głębszej. Ma to istotny wpływ na właściwości tworzonych
przez nie związków i na ich zastosowanie w ceramice. Warto wspomnieć, Ŝe podstawą
zielonej dekoracji na wyrobach ceramicznych jest najczęściej Cr

, a czerwonej na fajansie –

. W praktyce mamy do czynienia ze związkami o wiązaniach posiadających charakter

mieszany, najczęściej jonowo-kowalencyjny lub kowalencyjno-jonowy, w zaleŜności od
charakteru całego układu.

Rola jonów o charakterze modyfikatorów, barwiących i szkłotwórczych

Szkła krzemionkowe, które w ceramice są podstawą przemysłu szklarskiego, stanowią

takŜe podstawową więźbę szkliw, którymi pokrywane są wyroby ceramiczne

celu

wzmocnienia i uszlachetnienia czerepu, a często dodatkowo w celach dekoracyjnych. Biorą
one równieŜ udział w powstawaniu większości czerepów typowo ceramicznych i są
składnikiem farb stosowanych do dekoracji wyrobów ceramicznych.

Ogólnie, jony najczęściej występujące w szkliwach lub w szkłach ceramicznych dzielimy

na jony:

−

szkłotwórcze,

−

modyfikatory,

−

barwiące.
Zestawienie tych jonów podano w tabeli 3.

Tabela 3. Rola pierwiastków w szkliwach ceramicznych [7, s.206]

Numer okresu w tablicy

Mendelejewa

Modyfikatory

Szkłotwórcze

Barwiące

–

O, BeO

, F

–

, MgO

, SiO

2 ,

–

O, CaO

GeO

, As

V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn

O, SrO

SnO

, Sb

Ag, Cd

O, BaO

PbO

La, Ce, Au

–

Jony modyfikatory pochodzą od atomów grupy 1 i 2 układu okresowego (na przykład

sód, wapń). Wpływają one na obniŜenie temperatury mięknięcia szkliw, obniŜając
równocześnie ich chemoodporność i twardość. Ogólnie do jonów modyfikujących zaliczamy
kationy o duŜych rozmiarach na przykład: K

, Na

, Ca

, Ba

. Inne kationy dwuwartościowe,

takie jak Mg

, Zn

takŜe modyfikują sieć, ale nie mogą być dodawane do szkła w ilości

większej od około 20%, poniewaŜ brak im właściwości szkłotwórczych i szkło traci ze
wzrostem ich ilości trwałość.

Jony szkłotwórcze (tworzące zasadniczą więźbę szkła) pochodzą od atomów

pierwiastków grup 3–17 (na przykład krzem, ołów).

Jony barwiące pochodzą od atomów pierwiastków grup 3–17 (na przykład: kobalt,

chrom). Są to składniki słuŜące do zabarwiania szkliw. Barwę zieloną moŜna uzyskać z jonu
Cr

, róŜową i czerwoną z jonu Cr

niebieską ,,kobaltową” z Co

. NaleŜy pamiętać, Ŝe rola,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

jaką odgrywają pierwiastki w budowie i charakterze właściwości produkowanych szkliw
i szkieł związana jest ściśle z budową zewnętrznych części ich powłok elektronowych.

Właściwości węgla i krzemu

Właściwości okresowe pierwiastków są związane z podobieństwem budowy

zewnętrznych powłok elektronowych (elektronów walencyjnych).

Węgiel, krzem i german mają zasadniczo identyczne zewnętrzne powłoki elektronowe.

W tabeli 4 wyraźnie uwidocznione są zmiany właściwości pierwiastka przy oddalaniu się
powłoki walencyjnej od jądra atomu. Wskazują na to wyraźne róŜnice w twardości
i temperaturze topnienia.

Trudniejsze do wyjaśnienia są bardzo odmienne właściwości związków węgla i krzemu

jako  pierwiastków  naleŜących  do  tej  samej  grupy  układu  okresowego.  Często  przy  bardzo
ogólnikowej  charakterystyce  całej  rodziny  węglowców  spotykamy  się  z  wyjaśnieniem,  Ŝe
węgiel  i  krzem  tworzą  raczej  wiązania  atomowe.  Nie  naleŜy  w  chemii  ceramicznej
przyjmować ściśle tego określenia.

Tabela 4. Zestawienie porównawcze właściwości węglowców [7, s. 19]

Właściwości

Węgiel

Krzem

German

Cyna

Ołów

Masa atomowa

12,010

28,09

72,60

118,70

207,21

Liczba atomowa

Liczba elektronów
w ostatniej powłoce

Wartościowość

II, IV

Gęstość [g/cm

]

Grafit 2,25

2,4

5,35

7,3

11,3

Temperatura topnienia
[K]

ok. 3913

sublimuje

1683

1231,5

514,84

600,4

Twardość (porównawczo)

diament

najtwardszy

ze znanych

substancji

twardy

dość miękka

miękki

Charakter pierwiastka
w związkach

niemetal

metal

Stan energetyczny elektronów zewnętrznej (walencyjnej) powłoki krzemu Si jest na tyle

odmienny  od  stanu  energetycznego  zewnętrznych  elektronów  węgla  C,  Ŝe  w  efekcie
większość  związków  organicznych  to  związki  węgla,  który  stanowi  główne  rusztowanie
materii  oŜywionej.  Elektrony  walencyjne  węgla  są  na  tyle  bliŜej  swego  jądra  niŜ  to  ma
miejsce  w  krzemie,  Ŝe  ich  energia  swobodna  jest  mniejsza,  chętniej  więc  tworzą  wiązania
atomowe (nie „mają” swobody oddać elektronów). Efektem tej cechy węgla są bardzo długie
i  trwałe  łańcuchy  związków,  na  przykład  węglowodory.  Elektrony  walencyjne  krzemu  są
bardziej  oddalone  od  swego  jądra  i  mają  na  tyle  duŜą  energię  swobodną,  Ŝe  łatwiej  tworzą
wiązania  nieskierowane  o  charakterze  w  duŜej  mierze  jonowym  i  stąd  mamy  do  czynienia
z trójwymiarowym,  nieograniczonym  wzrostem  sieci  przestrzennej  tworzącej  świat
kryształów, minerałów. Ta cecha krzemu stanowi podstawę ceramiki.

Charakterystyka  podstawowych  dla  przemysłu  ceramicznego  związków  nieorganicznych
i organicznych

NajwaŜniejszymi związkami chemicznymi krzemu są: krzemionka, krzemiany oraz

glinokrzemiany.  Krzemionka  jest  głównym  składnikiem  piasku  i  jedną  z  najpowszechniej
występujących  substancji  w  przyrodzie.  Piasek  słuŜy  do  wyrobu  materiałów  budowlanych,
a kwarc  jest  uŜywany  głównie  w  jubilerstwie.  Z  krzemionki  otrzymuje  się  czysty  krzem,
który  jest  stosowany  w  nowoczesnych  technologiach,  głównie  w  elektronice.  Krzemiany

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

i glinokrzemiany to składniki skał i minerałów. Z krzemionki oraz węglanów wapnia i sodu
wytwarza się szkło.

Wodorotlenki

Właściwości ich sprawiły, Ŝe mają róŜnorodne zastosowanie:

–

NaOH (wodorotlenek sodu) – do produkcji papieru, szkła, barwników, do produkcji
mydła i środków piorących,

–

Ca(OH)

(wodorotlenek wapnia) – do produkcji nawozów mineralnych, bielenia drzew,

w budownictwie, w przemyśle cukierniczym,

–

KOH (wodorotlenek potasu) – do grawerowania, do produkcji detergentów,

–

Mg(OH)

(wodorotlenek magnezu) – do produkcji leków, produkcji past do zębów.

Kwasy nieorganiczne – zastosowanie
–

(kwas siarkowy(VI) ) – do produkcji środków piorących, materiałów

wybuchowych, nawozów mineralnych, barwników, leków, akumulatorów, nafty, olejów,
smarów, środków piorących,

–

HCl (kwas chlorowodorowy) – do produkcji włókien sztucznych, barwników, wyrobów
cukierniczych, leków, tworzyw sztucznych oraz do lutowania i wyprawiania skór,

–

HNO

(kwas azotowy(V) ) – do produkcji nawozów mineralnych, materiałów

wybuchowych, barwników, tworzyw sztucznych, lakierów, leków i wytrawiania metali,

–

(kwas fosforowy(V) ) – do produkcji napojów, farb i lakierów, środków

zmiękczających wodę, środków usuwających kamień i rdzę, środków piorących i do
konserwacji Ŝywności.
Kwasy organiczne są najczęściej składnikami wielu produktów spoŜywczych (np. kwas:

octowy, mlekowy i cytrynowy.

Niektóre sole znalazły zastosowanie jako nawozy mineralne, najczęściej są stosowane

azotany(V), fosforany(V), chlorek potasu i siarczan(VI) potasu, inne w gospodarstwie
domowym jako przyprawy: sól kuchenna (NaCl), środki spulchniające (NaHCO

konserwujące (NaCl, KNO

), proszki do prania (Na

) i sole do kąpieli.

Alkohole są stosowane jako rozpuszczalniki (metanol, etanol), ekstrakty, leki (etanol),

kosmetyki (glicerol), płyn do chłodnic (etanodiol).

Estry stosuje się do produkcji artykułów spoŜywczych, kosmetyków, leków, mydła oraz

rodków owadobójczych.

Pobieranie próbek do badań analitycznych

Pobieranie próbek ma na celu uzyskanie niewielkiej ilości substancji, która reprezentuje

wszystkie  właściwości  badanej  partii  materiału  Pobieranie  próbek  jako  etap  analizy,  nawet
przeprowadzone  według  wszelkich  prawideł,  jest  zawsze  obarczone  największym  błędem
w całym  łańcuchu  czynności  analitycznych.  Wynika  to  z  róŜnorodności  składników
materiałów  pobieranych,  których  struktura  czy  skład  mogą  się  zmieniać  w  duŜym  zakresie
w wyniku procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych. Błędy przy pobieraniu próbek
moŜna zwykle zminimalizować, pobierając próbki o duŜej masie lub objętości i dokładnie je
rozdrabniając.

Operacje związane z tym etapem mogą w sposób znaczący wpłynąć na wynik końcowy

oznaczenia. Sposób pobierania próbek jest określany normami. W normach określa się nie
tylko wielkość pobieranych próbek, ale takŜe sposób ich pobrania, a takŜe przyrządy, jakimi
próbki powinny być pobrane.

Z partii produktu (ilość substancji tego samego rodzaju) pobiera się próbki pierwotne.

Z wielu próbek pierwotnych, po zmieszaniu, uzyskujemy próbkę ogólną. Z próbki ogólnej, po
jej dobrym wymieszaniu i ewentualnym rozdrobnieniu, odrzuca się część substancji,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a pozostałość stanowi próbkę laboratoryjną (dawniej zwaną średnią). Z niej pobieramy próbkę
analityczną i przeprowadzamy analizę (zgodnie z odpowiednią normą).

Próbki substancji stałych najlepiej pobierać bezpośrednio z urządzeń transportujących lub

przesypujących substancję, w sposób ciągły lub w określonych odstępach czasu. Do
pobierania próbek stosuje się róŜnego rodzaju próbniki (zgłębniki) z materiału odpornego na
działanie chemiczne pobieranej substancji.

Próbki substancji ciekłych najłatwiej jest pobierać bezpośrednio z rurociągu dzięki

odpowiednim  zaworom.  Po  otworzeniu  zaworu  naleŜy  spuścić  pewną  ilość  cieczy,  zgodnie
z normą,  i  dopiero  potem  podstawić  właściwe  naczynie  w  celu  pobrania  próbki  (nie  jest  to
konieczne,  gdy  ciecz  jest  jednorodna).  Z  beczek,  cystern  i  zbiorników  pobiera  się  próbki
cieczy za pomocą specjalnych rur zgłębnikowych, pipet lub butelek.

Próbki substancji gazowych pobiera się najczęściej z rurociągu w sposób ciągły lub

wyrywkowy. Sposób ciągły polega na pobieraniu substancji w ciągu dłuŜszego, określonego
czasu, np. 24 godzin.

Zasady pobierania próbek według normy ISO 17025:

–

pobieranie próbek powinno przebiegać według ustalonego planu, opartego na metodach
statystycznych,

–

naleŜy stosować system identyfikacji próbek i obiektów badań za pomocą dokumentów
lub przez odpowiednie oznakowanie,

–

powinny istnieć procedury dotyczące transportu, przyjmowania, identyfikacji,
przechowywania i pozbywania się obiektów badań, zapewniające niezmienność
właściwości materiału.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jaki pierwiastek chemiczny jest podstawą zielonej dekoracji na wyrobach ceramicznych?
2.  Jaką rolę odgrywają pierwiastki stosowane w przemyśle ceramicznym?
3.  Jak dzielimy jony występujące w szkłach ceramicznych?
4.  Czym pokrywa się wyroby ceramiczne w celu wzmocnienia?
5.  Jakie są najwaŜniejsze związki chemiczne krzemu?
6.  Jakie znasz tworzywa ceramiczne?
7.  Jaką  rolę  odgrywają  podstawowe  dla  przemysłu  chemicznego  związki  nieorganiczne

i organiczne?

8. Jakie znasz rodzaje próbek?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Na podstawie tabeli 3 „Rola pierwiastków w szkliwach ceramicznych” zamieszczonej

w Poradniku dla ucznia przygotuj podział na trzy zasadnicze grupy pierwiastków
(wprowadzanych do szkliw najczęściej w postaci tlenków) uŜywanych w szkłach.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać tekst z Poradnika ucznia podany w temacie ćwiczenia,
2)  przeanalizować tabelę 3 z Poradnika ucznia,
3)  przygotować w zeszycie zadany w ćwiczeniu podział pierwiastków,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Rozpoznaj i omów wybrane tworzywa ceramiczne – wskaŜ ich zastosowanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z właściwą treścią podręcznika,
2)  zapoznać się z literaturą wskazaną przez nauczyciela,
3)  obejrzeć zgrupowane tworzywa ceramiczne,
4)  nazwać tworzywa ceramiczne,
5)  sporządzić krótką notatkę o kaŜdym z nich,
6)  wskazać przydatność tworzyw ceramicznych,
7)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

eksponaty z tworzywami ceramicznymi, albumy, zdjęcia,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Określ, przydatność związków nieorganicznych i organicznych na potrzeby przemysłu

Połącz w logiczne pary i uzupełnij tabelę.

Związek chemiczny

Wodorotlenek sodu NaOH

Do produkcji artykułów spoŜywczych, kosmetyków, leków, mydła,
ś

rodków owadobójczych.

Kwas siarkowy(VI)

Są stosowane jako rozpuszczalniki (metanol, etanol), leki (etanol),
kosmetyki (glicerol), płyn do chłodnic (etanodiol).

Chlorek sodu NaCl

Do produkcji środków piorących, materiałów wybuchowych,
nawozów mineralnych, barwników, leków, akumulatorów, nafty,
olejów, smarów.

Alkohole

Jako przyprawy w gospodarstwie domowym.

Estry

Do produkcji papieru, szkła barwników, mydła, w chemii
budowlanej, w przemyśle cukierniczym.

Związek chemiczny

Zastosowanie

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać określone treści z Poradnika dla ucznia,
2)  przeanalizować opisy związków nieorganicznych i organicznych,
3)  wyszukać charakterystyczne informacje o związkach podanych w tabeli,
4)  dobrać w pary: związek chemiczny – zastosowanie
5)  uzupełnić zapis w tabeli,
6)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

arkusz z zadaniem,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) wskazać, który pierwiastek chemiczny jest podstawą zielonej dekoracji na

wyrobach ceramicznych?



2) wskazać, który pierwiastek chemiczny jest podstawą czerwonej dekoracji na

fajansie?



3) objaśnić rolę pierwiastków stosowanych w przemyśle ceramicznym?



4) wymienić rodzaje jonów występujących w szkliwach ceramicznych?



5) określić, na co wpływają modyfikatory?



6) określić, czym pokrywamy wyroby ceramiczne?



7) wskazać najwaŜniejsze związki chemiczne krzemu?



8) wskazać podstawowe dla przemysłu związki nieorganiczne i organiczne?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Reakcje chemiczne

4.3.1. Materiał nauczania

Wokół nas bezustannie zachodzą najrozmaitsze przemiany. Jedne z nich zaliczamy do

zjawisk fizycznych. Są to np. parowanie i skraplanie się wody. Zjawiska fizyczne nie
wywołują trwałych zmian we właściwościach substancji.

Inaczej wygląda sprawa z przemianami chemicznymi zwanymi częściej reakcjami

chemicznymi. Reakcje chemiczne są to przemiany, w czasie których z jednych substancji
powstają inne, o odmiennych właściwościach. Substraty i produkty reakcji łącznie nazywa się
reagentami.

Rys. 9. Równanie reakcji chemicznej – zapis przebiegu reakcji chemicznej [2, s. 159]

Reakcje rozkładu (analizy) są to reakcje, w których z jednej substratu powstaje dwa lub

więcej produktów.

2 KClO

→

KCl

4 O

Reakcje łączenia (syntezy) są to reakcje, w których z dwóch lub więcej substratów

powstaje jeden produkt.

2 P + 5 O

→ 2 P

3 Fe + 2 O

→

Reakcje wymiany są to reakcje, w wyniku których następuje wymiana składników

między substratami.

Cu + 2 AgNO

→ Cu(NO

)

+ 2 Ag

Tabela 5. Rodzaje rekcji chemicznych [2, s. 159]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Reakcja cząsteczkowa to reakcja przebiegająca między drobinami elektroobojętnymi

(atomami, cząsteczkami). Najczęściej takie reakcje zachodzą w stanie gazowym:

+ Cl

→2 HCl

Reakcja jonowa to taka, w której przynajmniej jeden z substratów jest jonem. Reakcje

zachodzą między dwoma jonami, miedzy atomem i jonem, między cząsteczką i jonem:

+ OH

→ H

Zn + 2 H

→ Zn

+ H

↑

+ H

→ NH

Reakcje egzoenergetyczne i endoenergetyczne

Jednym z objawów wielu reakcji jest ogrzewanie się otoczenia, a często teŜ rozŜarzenie

i świecenie reagentów. Reagenty biorące udział w danej reakcji nazywamy układem
a otaczającą je przestrzeń nazywamy otoczeniem.

Reakcje chemiczne, którym towarzyszy przekazywanie energii z układu do otoczenia na

sposób ciepła i na sposób pracy nazywamy reakcjami egzoenergetycznymi.

Reakcje chemiczne, którym towarzyszy przekazywanie energii z otoczenia do układu

nazywamy reakcjami endoenergetycznymi.

Przykład:

2 H

+ O

→ 2H

Tabela 5. Informacje, których dostarcza równanie reakcji chemicznej [2, s. 160]

Fizyczne czynniki wpływające na szybkość reakcji

Wokół nas przebiega wiele róŜnych reakcji chemicznych. Łatwiej jest zauwaŜyć reakcje

szybkie, takie jak np. reakcje spalania, niŜ reakcje powolne.

Szybkość reakcji określamy jako ubytek ilości molekuł substratów albo przyrost ilości

molekuł produktów w jednostce czasu.

Z obserwacji codziennych wiemy takŜe, Ŝe nie tylko wstępne dostarczenie energii

wpływa na szybkość reakcji. Reakcje biegną szybciej w podwyŜszonej temperaturze. StęŜenie
reagentów  ma  takŜe  wpływ  na  szybkość  reakcji.  Rozdrobnienie  ma  równieŜ  wpływ  na
szybkość  reakcji.  Oprócz  temperatury,  stęŜenia  i  powierzchni  międzyfazowej,  na  szybkość
reakcji  mogą  mieć  wpływ:  promieniowanie  elektromagnetyczne,  rodzaj  rozpuszczalnika,
ciśnienie, obecność katalizatorów i inhibitorów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do ćwiczeń.

1.  Czym róŜni się reakcja chemiczna od przemiany fizycznej?
2.  Co nazywamy reagentami?
3.  Czym charakteryzują się reakcje: rozkładu, łączenia, wymiany?
4.  Co towarzyszy reakcjom egzoenergetycznym i endoenergetycznym?
5.  Jakie czynniki fizyczne wpływają na szybkość reakcji?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Dobierz współczynniki w poniŜszych równaniach zgodnie prawem zachowania masy

i określ, do jakiego typu naleŜą reakcje:



Mg + O

→



Mg O

CaCO

→

Ca O + CO



+ O

→



→



HgO

→



Hg + O



Na OH + H

→



Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać określone treści z Poradnika dla ucznia,
2)  przeanalizować zapisy równań chemicznych,
3)  podjąć decyzje o prawidłowym uzupełnieniu współczynników stechiometrycznych,
4)  wpisać w wolne kratki odpowiednie współczynniki stechiometryczne,
5)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zeszyt.

Ćwiczenie 2

Określ wpływ czynników fizycznych na szybkość reakcji chemicznych. Przy kaŜdym

z nich podaj uzasadnienie. Wpisz do rubryki, „Wpływ na szybkość” jeden z dwóch
wybranych wyrazów: zwiększa lub zmniejsza.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela do ćwiczenia 2

Czynnik

Wpływ na szybkość

Uzasadnienie

Ogrzewanie

Rozdrabnianie

ZatęŜanie mieszaniny reakcyjnej

Chłodzenie substratu

Rozcieńczanie mieszaniny reakcyjnej

Wzrost ciśnienia

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać określone treści z Poradnika dla ucznia,
2)  przeanalizować zawartość tabeli,
3)  podjąć decyzje o prawidłowym uzupełnieniu,
4)  uzupełnić tabelę,
5)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zeszyt.

Ćwiczenie 3

Uzupełnij rozwiązanie zadania:
Jak zmieni się szybkość reakcji: a) po ogrzaniu o 40

C, b) po ochłodzeniu o 40

C, jeŜeli

zmiana temperatury o kaŜde 10

C powoduje 2,5 – krotną zmianę szybkości reakcji?

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać określone treści z Poradnika dla ucznia,
2)  przeanalizować zawartość zadania,
3)  podjąć decyzje o prawidłowym rozwiązaniu,
4)  uzupełnić rozwiązanie zadania,
5)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zeszyt.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz?

Tak

Nie

1) wyjaśnić, na czym polega reakcja łączenia (syntezy)?



2) wyjaśnić, na czym polega reakcja rozkładu (analizy)?



3) wyjaśnić, na czym polega reakcja wymiany ?



4) wyjaśnić

róŜnice

pomiędzy

reakcjami

egzoenergetycznymi

i endoenergetycznymi?



5) wymienić fizyczne czynniki wpływające na szybkość reakcji?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.

Mieszaniny, roztwory, koloidy

4.4.1. Materiał nauczania

Wiadomości wstępne

Materiały, czyli rodzaje materii spotykane w naszym otoczeniu i w przyrodzie, są

substancjami lub mieszaninami substancji (rys. 10).

Rys. 10. Podział materiałów i procesy powodujące wzajemne przekształcanie ich rodzajów [5, s. 25]

Mieszaniny dzieli się na jednorodne i niejednorodne. Cechą mieszaniny jednorodnej,

zwanej roztworem, jest to, Ŝe jej składników nie moŜna rozróŜnić wzrokowo. RóŜnice między
mieszaniną i związkiem chemicznym w ujęciu mikroskopowym ilustruje. Mieszanina składa
się z drobin co najmniej dwóch substancji w dowolnym stosunku. Związek chemiczny jest
zbiorem drobin.

Rys. 11. Powstanie mieszaniny A i B a następnie związku chemicznego typu AB

z pierwiastków, w ujęciu

atomowo-cząsteczkowym (A+2B→AB

) [5, s. 26]

Zmiany stanów skupienia

W ciałach stałych drobiny są uporządkowane wzdłuŜ linii prostych z zachowaniem

stałych  odległości  między  środkami  drobin.  Drobiny  znajdują  się  tak  blisko  siebie,  Ŝe  się
stykają.  Taki  układ  nazywamy  siecią  krystaliczną.  Drobiny  tworzące  sieć  wykonują  ruchy
drgające,  tzn.  ich  środki  oddalają  się  od  pewnego  punktu  w  róŜnych  kierunkach  i  wracając

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wciąŜ przez ten punkt przechodzą. Nie mogą jednak przemieszczać się w inne rejony
kryształu, jak to się dzieje w cieczach i gazach.[5]

Sieć krystaliczna, w zaleŜności od rodzaju wiązań, moŜe być zbudowana z:

−

atomów (atomowa sieć krystaliczna) – punkt a) w tabeli 6,

−

cząsteczek (cząsteczkowa sieć krystaliczna) – punkt b) w tabeli 6,

−

jonów (jonowa sieć krystaliczna) – punkt c) w tabeli 6.
Podczas ogrzewania ciała stałego drobiny drgają coraz szybciej. Rośnie energia kinetyczna

ich  ruchu  drgającego.  Po  osiągnięciu  temperatury  topnienia,  charakterystycznej  dla  danej
substancji,  drobiny  opuszczają  sieć.  Zjawisko  to  rozpoczyna  się  na  powierzchni  kryształu,
obejmuje coraz głębsze warstwy, w miarę ich odsłaniania, i prowadzi do zniszczenia całej sieci
krystalicznej.  Proces  ten  nazywa  się  topnieniem,  a  jego  rezultatem  jest  przekształcenie  ciała
stałego  w  ciecz.  Strukturę  drobinową  ilustruje  tabela  6.  Podczas  topnienia  kaŜdy  rodzaj  sieci
krystalicznej  rozpada  się  na  takie  drobiny,  z  jakich  się  składa.  Tak  więc  stopione  substancje
jonowe nie zawierają cząsteczek, lecz oddzielne kationy i aniony.

Drobiny w cieczach znajdują się prawie tak samo blisko siebie, jak w ciałach stałych.

Wykonują nieustannie róŜne ruchy, przemieszczając się i obracając równocześnie. Powoduje
to zderzenia między drobinami oraz ze ściankami naczynia. W konsekwencji drobiny mogą
wędrować nawet z jednego końca naczynia w drugi.

Ochładzanie cieczy prowadzi do stopniowego zmniejszenia się energii kinetycznej

drobin, a po osiągnięciu odpowiednio niskiej temperatury, czyli temperatury krzepnięcia
(równej temperaturze topnienia), zaczyna się ponowne tworzenie sieci krystalicznej. Najpierw
powstaje mały zarodek, który stopniowo się powiększa.

Podczas ogrzewania cieczy drobiny poruszają się coraz szybciej. Rośnie energia

kinetyczna wszystkich ich ruchów. Niektóre drobiny, znajdujące się na powierzchni ciecz, te
które  osiągnęły  dostatecznie  duŜą  energię,  „wyskakują”  i  poruszają  się  nad  powierzchnią
cieczy.  Jest  to  proces  parowania,  który  zachodzi  w  kaŜdej  temperaturze,  ale  z  róŜną
intensywnością, tym większą, im wyŜsza jest temperatura i większa powierzchnia cieczy. Po
ogrzaniu cieczy do temperatury wrzenia, charakterystycznej dla danej substancji, i zaleŜnej od
ciśnienia,  rozpoczyna  się  proces  wrzenia,  czyli  parowania  w  całej  objętości.  Tworzące  się
wewnątrz  cieczy  pęcherzyki  pary  wypływają  na  powierzchnię.  W  rezultacie  cała  ciecz
stopniowo przekształca się w stan lotny.

W stanie gazowym odległości między drobinami są znacznie większe niŜ w stanach

skondensowanych (czyli w cieczach i ciałach stałych), przy czym zaleŜą od ciśnienia. Na
przykład w powietrzu atmosferycznym odległość między poszczególnymi drobinami (O

, N

Ar, itd.) jest rzędu kilkudziesięciu średnic tych drobin a więc znacznie większa niŜ pokazana
na  modelach  w  tabeli  6.  KaŜda  drobina  porusza  się  z  szybkością  rzędu  setek  lub  tysięcy
metrów  na  sekundę,  po  linii  prostej,  aŜ  zderzy  się  z  inną  drobiną  lub  ze  ścianką  naczynia.
W ciągu  sekundy  kaŜda  drobina  ulega  miliardom  zderzeń.  Na  skutek  zderzenia  zmienia
kierunek i szybkość.

Przy przejściu ze stanu ciekłego do gazowego struktura drobin zostaje zachowana,

aczkolwiek niektóre substancje ulegają rozkładowi chemicznemu jeszcze przed osiągnięciem
stanu wrzenia lub równocześnie z nim. Pewną ciekawostką jest obecność, w stanie lotnym
związków jonowych, niewielkiej liczby par jonowych np. Na

, czyli cząsteczek NaCl

punkt i) w tabeli 6 wśród przewaŜającej liczby poruszających się niezaleŜnie kationów Na

i anionów Cl

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 6. Ziarnistość materii a stany skupienia [5, s. 33]

Materiał

Stan
skupienia

Pierwiastek chemiczny

stanowiący zbiór atomów

Kowalencyjny związek

chemiczny typu AB

Jonowy związek chemiczny

typu AB

Stały

Ciekły

Gazowy

W zaleŜności od wielkości fragmentów rozdrobnionych, czyli od stopnia rozdrobnienia,

rozróŜnia  się  trzy  rodzaje  mieszanin.  Pierwszy  to  roztwory.  Drugi  rodzaj  mieszanin
rozdrobnionych  to  koloidy  (to  mieszanina  niejednorodna  o  rozdrobnieniu  koloidalnym.
Koloidu nie da się rozdzielić przez sączenie. Trzecim rodzajem mieszanin rozdrobnionych są
zawiesiny  (mieszanina  niejednorodna  o  rozdrobnieniu  gruboziarnistym).  Mieszaniny  róŜnią
się:  liczbą  składników,  zawartością  ilościową  poszczególnych  składników,  jednorodnością
(stopniem rozdrobnienia), liczbą faz, stanem skupienia.

Mieszanina jednorodna jest nazywana roztworem. Termin roztwór kojarzy się z ciekłym

stanem skupienia. Większość roztworów to ciecze, jednak znane są roztwory w stanie
gazowym (na przykład powietrze – mieszanina tlenu, azotu i kilku innych gazów) czy nawet
stałym (na przykład mosiądz – roztwór cynku w miedzi oraz inne stopy).

Sporządzanie mieszanin

Proces mieszania składników, prowadzący do otrzymania roztworu, nazywa się

rozpuszczaniem. RozróŜnia się rozpuszczanie cieczy w cieczy, gazu w cieczy, rozpuszczanie
ciała stałego w cieczy.

Roztwór nasycony to roztwór, którego stęŜenie nie ulega zmianie po wprowadzeniu

kryształu substancji rozpuszczanej. Roztwór nienasycony to moŜna rozpuścić więcej
substancji niŜ rozpuszczono. Rozpuszczalność to masa substancji (najczęściej liczba
gramów), jaka jest potrzebna do nasycenia 100 g rozpuszczalnika w danej temperaturze.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 12. Podział mieszanin ze względu na stopień rozdrobnienia [5, s. 109]

Układy, w których faza rozproszona występuje w rozdrobnieniu od 1 do 200 nm noszą

nazwę koloidów (gr. kolla – klej). Mogą one występować we wszystkich stanach skupienia,
tzn. zarówno faza rozpraszająca, jak teŜ rozproszona moŜe być gazem lub substancją stałą.

Układy koloidalne, w których fazą rozpraszającą jest ciecz a fazą rozproszoną –

substancja stała, nazywamy zolami.

Rys. 13. Podział rozdrobnionych mieszanin niejednorodnych ze wzglądu na stan skupienia rozpuczalnika [5, s. 110]

Koagulacja i peptyzacja koloidów

Koagulacją nazywamy proces polegający na zbijaniu się cząstek koloidalnych w większe

agregaty, co prowadzi do opadania ich pod wpływem działania siły cięŜkości.

Koagulację (Ŝelifikację) zolu powodują:

−

dodatek odpowiedniej ilości elektrolitu,

−

wprowadzenie innego koloidu,

−

ogrzewanie zolu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Najczęściej koagulację koloidów hydrofobowych przeprowadza się przez dodatek

elektrolitu.

Ogólne warunki koagulacji zolu:

−

dodanie elektrolitu o odpowiednim stęŜeniu,

−

wytrącenie koloidu nie następuje przy uŜyciu elektrolitu poniŜej pewnej minimalnej
ilości zwanej progiem koagulacji,

−

koagulację powoduje jon o znaku przeciwnym niŜ cząstka koloidu.
Peptyzacja jest to proces odwrotny do koagulacji, czyli proces przeprowadzenia w zol

skoagulowanego osadu koloidu. W ceramice wykorzystujemy te zjawiska w procesie
peptyzacji (upłynniania) glin, których ujemnie naładowane cząstki peptyzują pod wpływem
działania zasad, np. NaOH.

Rys. 14. Modele: a) zolu, b) Ŝelu. Jedna z moŜliwych struktur cząstek koloidalnych to jądro stanowiące

mikrokryształ zawierający około 1000 lub więcej drobin. Na zewnątrz jądra tworzy się warstwa
cząsteczek rozpuszczalnika lub jonów jednego znaku, a na niej kolejna warstwa jonów przeciwnego
znaku [5, s. 117]

Zjawisko tiksotropii

W układzie glina – woda znajduje się około 2/3 cząsteczek gliny w postaci zawiesiny,

a około 1/3 w postaci koloidu. Wiele układów glina – woda wykazuje zjawisko tiksotropii.

Tiksotropią nazywamy odwracalny, izotermiczny (w stałej) temperaturze proces

przemiany  Ŝelu  w  zol  pod  wpływem  bodźców  mechanicznych,  takich  jak:  mieszanie,
wstrząsy,  drgania.  Po  ustaniu  działania  czynników  mechanicznych  zole  z  powrotem
przechodzą w Ŝel.

Upłynnianie mas ceramicznych

Masy ceramiczne to odpowiednio dobrane (jakościowo i granulometrycznie) zestawy

surowców ceramicznych i wody (lub innego lepiszcza), które w procesie przerobu
technologicznego uzyskują stan nadający się do formowania.

Proces technologiczny jest to szereg odpowiednio dobranych operacji jednostkowych

pozwalających na uzyskanie z surowców gotowego produktu lub półproduktu
o zaplanowanych właściwościach; np. masy ceramiczne wymagają wstępnego przygotowania
surowców, mielenia, mieszania, homogenizacji dołowania, odpowietrzenia, nawilŜania itp.

Do najprostszych i najczęściej uŜywanych konsystencji mas ceramicznych w procesie

formowania naleŜą:

−

masy sypkie (formowanie przez prasowanie w prasach),

−

masy plastyczne (formowane ręcznie lub mechanicznie, np. garncarstwo),

−

masy lejne (gęstwy, leiwa) formowanie przez odlewanie w formach gipsowych lub
innych.
Upłynniacze to substancje zdolne do obniŜenia lepkości gęstwy przy stałej ilości wody.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Są to najczęściej elektrolity lub związki organiczne zawierające grupy aktywne (tabela 7).
Najogólniej stwierdzić moŜna, Ŝe przez upłynnienie masy ceramicznej rozumiemy

uzyskanie  odpowiedniej  technologicznie  płynności  masy  przy  minimalnej  ilości  wody  przez
dodanie  substancji  upłynniającej  (często  elektrolitu  w  postaci  węglanu  sodu  lub  szczawianu
sodu).

Tabela 7. Zestawienie róŜnych substancji upłynniających

Upłynniacze nieorganiczne

Upłynniacze organiczne

i preparaty mieszane

Nazwa

Wzór

Nazwa handlowa

Węglan sodu (soda bezwodna)

dwuetyloamina

Węglan sodu krystaliczny (soda
krystaliczna)

3 ·

10H

dwu-n-propylomina

Wodorotlenek sodu (soda kaustyczna)

NaOH

jedno-n-propyloamina

Krzemian sodu (szkło wodne) –
najlepsze wyniki

O · nSiO

2 ,

n = 1-6

przy n = 3,3

jednoetyloamina

Pirofosforan czterosodowy

trójetyloamina

Heksametafosforan sodu (tetrafosforan
sodu)

jedno-n-butoamina

Metalglinian sodu

(NaAlO

)

pirydyna

Szczawian sodu

piperydyna

Szczawian amonu

(NH

)

4 ·

etyloamina

Wodorotlenek litu

LiOH

poliwinyloamina

Węglan litu

pantarin

Glinian litu

LiAlO

formaldehyd

Cytrynian litu

7 s

Formsil A i S, dispex

4.4.2.Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do ćwiczeń.

1.  Co rozumiesz pod pojęciem stany skupienia materii?
2.  Jakie są róŜnice między mieszaninami, roztworami i układami koloidalnymi?
3.  Jakie cechy fizyczne?
4.  Co to jest tiksotropia?
5.  Co to jest koagulacja?
6.  Na czym polega proces ppatyzacji?

4.4.3.Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przygotuj mieszaninę granulatu według receptury roboczej. Mieszaninę przygotuj

w młynku laboratoryjnym.

Tabela 1 do ćwiczenia 1. Receptura robocza

Składnik

Ilość

Uziarnienie

Techniczny tlenek glinu

0,3 kg

0–0,05 mm

Elektrokorund

0,7 kg

0,5–1 mm

Woda

50 cm

–

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać określone treści z Poradnika dla ucznia,
2)  przeanalizować przebieg ćwiczenia,
3)  przygotować niezbędny sprzęt laboratoryjny,
4)  zapoznać się z instrukcją obsługi młynka,
5)  sprawdzić stan techniczny młynka,
6)  przygotować środki ochrony indywidualnej,
7)  sprawdzić stan techniczny wagi,
8)  odwaŜyć surowce zgodnie z recepturą,
9)  przygotować masę w młynku laboratoryjnym, zgodnie z instrukcją stanowiskową obsługi

urządzenia,

10)  mieszać składniki na masę, aŜ uzyska się jednorodność masy,
11)  skontrolować organoleptycznie jednorodność masy,
12)  przenieść gotową masę z młynka do zbiornika na masę,
13)  zabezpieczyć masę przed utratą wilgoci,
14)  oczyścić sprzęt i uporządkować stanowisko pracy,
15)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zeszyt,

−

surowce,

−

młynek laboratoryjny,

−

instrukcja obsługi młynka,

−

instrukcja stanowiskowa,

−

waga laboratoryjna

−

instrukcja obsługi wagi,

−

rodki ochrony indywidualnej,

−

zbiornik na masę,

−

sprzęt laboratoryjny.

Ćwiczenie 2

Przygotuj 1 litr 30% roztworu sody. Jako rozpuszczalnika uŜyj wody destylowanej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać określone treści z Poradnika dla ucznia,
2)  przeanalizować przebieg ćwiczenia,
3)  przygotować niezbędny sprzęt laboratoryjny,
4)  przygotować środki ochrony indywidualnej,
5)  sprawdzić stan techniczny wagi,
6)  odwaŜyć sodę zgodnie z recepturą,
7)  sporządzić roztwór zgodnie z procedurą,
8)  oczyścić sprzęt i uporządkować stanowisko pracy,
9)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zeszyt,

−

surowce,

−

waga laboratoryjna

−

instrukcja obsługi wagi,

−

rodki ochrony indywidualnej,

−

zbiornik na sodę,

−

sprzęt laboratoryjny.

Ćwiczenie 3

Połącz nazwy i wzory upłynniaczy nieorganicznych.

Nazwa

Wzór

Węglan sodu (soda bezwodna)

LiOH

Węglan sodu krystaliczny (soda krystaliczna)

Wodorotlenek sodu (soda kaustyczna)

Pirofosforan czterosodowy

3 ·

10H

Szczawian sodu

NaOH

Wodorotlenek litu

Węglan litu

G. Na

Nazwa

Wzór

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać określone treści z Poradnika dla ucznia,
2)  przeanalizować zestawienie upłynniaczy,
3)  połączyć nazwy i wzory upłynniaczy,
4)  uzupełnić tabelę,
5)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−−−−

zeszyt.

Ćwiczenie 4

Dobierz sprzęt laboratoryjny do realizacji badań i podaj przepisy bhp obowiązujące przy

pracach laboratoryjnych. Sprzęt naleŜy dobrać do wcześniej wykonywanych ćwiczeń 1 i 2.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z właściwą treścią Poradnika dla ucznia,
2)  zapoznać się z literaturą wskazaną przez nauczyciela,
3)  przygotować sprzęt laboratoryjny,
4)  zaprezentować wykonanie ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia,

−

sprzęt laboratoryjny,

−

zeszyt.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojęcia: stany skupienia, mieszanina, roztwór?

2) scharakteryzować układ koloidalny?

3) wyjaśnić pojęcie koagulacja?

4) określić co powoduje, koagulację ?

5) określić zjawisko peptyzacji?

6) przedstawić zjawisko tiksotropii?

7) wyjaśnić do czego mogą być stosowane upłynniacze?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Wybrane pojęcia z krystalochemii

4.5.1. Materiał nauczania

Zadania krystalochemii:

−

badanie struktury kryształów,

−

badanie wpływu rozmieszczenia atomów w kryształach (struktury) i budowy ich osłon
elektronowych na właściwości fizyczne i chemiczne kryształów.

Podstawowe prawa krystalochemii

Strukturę kryształów określają [7, s. 35]:

−

stosunki ilościowe poszczególnych elementów struktury (jonów, atomów, cząsteczek),
z których zbudowany jest dany kryształ,

−

stosunki geometryczne elementów struktury,

−

zdolności polaryzacyjne elementów struktury.
Energię sieciową kryształów i związane z nią właściwości fizyczne i chemiczne określają
(rys. 15):

−

stosunki ilościowe poszczególnych elementów,

−

struktura elektronowa elementów budowy,

−

zdolności polaryzacyjne elementów budowy, zaleŜne od budowy powłok elektronowych
i rozmiarów w danych warunkach.

Rys. 15. Sieć przestrzenna a krystaliczna [8]

Kryształem, w ogólnym znaczeniu, nazywamy ugrupowanie przestrzenne atomów, jonów

lub  drobin,  wykazujące  prawidłową  okresowość  w  róŜnych  kierunkach.  Jednostką
okresowości jest komórka jednostkowa, która stanowi powtarzający się motyw konstrukcyjny
danego  kryształu  (rys.  15).  Elementami  struktury  kryształów  są  atomy,  jony,  lub  cząsteczki.
W  interesujących  ceramików  krzemianach,  elementami  struktury  są  najczęściej  róŜne  jony
i cząsteczki wody.

Do ciał krystalicznych zaliczamy takie substancje stałe, w których stan uporządkowania

przestrzennego elementów struktury obejmuje znaczne obszary w porównaniu z jednostką
okresowości.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Często mamy do czynienia z ciałami polikrystalicznymi. Za ciała polikrystaliczne

uwaŜamy takie ciała, które mogą się składać z wielu osobników krystalicznych
(pojedynczych kryształów) oddzielonych od siebie powierzchniami nieciągłości (np. metale,
skały).

Pamiętać naleŜy, kryształy w zasadniczy sposób róŜnią się od cząsteczek (drobin), które

stanowią wysycony układ zamknięty. Kryształy jako układy niewysycone mogą
w odpowiednich warunkach wzrastać bez ograniczenia, przyłączając dowolną ilość
elementów struktury (rys. 16).

Rys. 16. Kryształ a cząsteczka [8]

Wszystkie znane naturalne i sztuczne kryształy naleŜą do kryształów rzeczywistych.

Kryształy rzeczywiste są niedoskonałe, wykazują wiele wad sieciowych i nieprawidłowości.

Przez kryształ doskonały naleŜy rozumieć kryształ powstały przez idealne powtarzanie

w trzech wymiarach komórki jednostkowej.

Do podstawowych nieprawidłowości powstających w kryształach naleŜą:

−

migracja jonów (wędrówka jonów nieumiejscowionych),

−

rotacja jonów (wirowanie),

−

róŜnica  w  „wyposaŜeniu”  lub  ułoŜeniu  jonów  w  poszczególnych  komórkach
jednostkowych, przy stałym umiejscowieniu jonów w sieci.
Prawie  wszystkie  krzemiany  są  właściwie  roztworami  stałymi,  których  skład  waha  się

w pewnych granicach. Wahają się teŜ w pewnym zakresie właściwości fizyczne uzaleŜnione
przecieŜ od składu chemicznego, ale są to jedynie odchylenia właściwości, a nie skokowa ich
zmiana.

Wady struktury kryształów mogą być w wielu przypadkach wykorzystywane w praktyce

i jakość ich moŜe być wtedy sterowana sztucznie (półprzewodniki). RóŜne rodzaje wad
sieciowych moŜna wykrywać i badać za pomocą promieni Roentgena oraz przewodnictwa
elektrycznego.

Krzemiany zbudowane są z sieci o koordynacji jonowej. Zatem siły działające w ich sieci

to  ogólnie  siły  zgodne  z  prawem  Coulomba.  Nie  mają  one  charakteru  skierowanego, lecz są
równomiernie  rozłoŜone  kuliście  wokół  kaŜdego  jonu.  Jony  przyciągają  więc  do  siebie  taką
ilość  jonów  przeciwnego  znaku  jaka  moŜe  się  wokół  nich  zmieścić.  Dzieje  się  to

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w odpowiednich warunkach (np. podczas krystalizacji ochładzanego stopu) i jest ściśle
zaleŜne od tych warunków.

UłoŜeniem jonów podczas krystalizacji rządzą ściśle określone zasady. Dla uproszczenia

moŜna przyjąć, Ŝe jony dodatnie (kationy) to małe kule, a aniony to kule większe i odległość
między środkami jonów równa się sumie ich promieni przy załoŜeniu zasady najściślejszego
upakowania. Są to promienie rzeczywiste.

Stwierdzono, na podstawie pomiarów (np. rentgenowskich), Ŝe wskutek oddziaływania

odpychającego powłok elektronowych jony mają w strukturze sieci nieco większe promienie,
tzn. są od siebie nieco oddalone. Są to tzw. promienie efektywne, które nie mają stałej
wartości.

Liczba koordynacyjna jest to liczba najbliŜszych elementów struktury (np. jonów)

otaczających  dany  koordynujący  (podporządkowujący  je  sobie)  jon  w  krysztale  np.:  krzem
otacza  się  czterema  jonami  tlenu  więc  liczba  koordynacyjna  dla  krzemu  wynosi  4  (LK  = 4),
a w tym  samym  przypadku  z  jonem  tlenu  sąsiadują  jedynie  dwa  jony  krzemu,  to  dla  tlenu
LK = 2. Tak więc dla sieci SiO

charakterystyczne są dwie liczby koordynacyjne 4 i 2.

Przewodniki, dielektryki i półprzewodniki

Przewodnikami nazywamy ciała, które przewodzą prąd elektryczny wskutek

uporządkowanego przepływu elektronów w polu przyłoŜonego napięcia.

Dielektrykami (izolatorami) nazywamy takie ciała, które przeciwstawiają się

uporządkowanemu przepływowi prądu elektrycznego. NaleŜą do nich głównie kryształy
krzemianów, w których warstwy zewnętrzne atomów (jonów) są obsadzone przez elektrony.

Półprzewodniki to takie kryształy, w których istnieją warunki przerzucania elektronów na

wyŜsze, niŜ zajęte poziomy energetyczne przy małej energii wzbudzenia, co umoŜliwia
przepływ prądu.

Do bardzo ciekawych zjawisk w chemii ceramicznej naleŜy wykorzystywanie

zanieczyszczeń występujących w sieciach lub innych wad sieciowych. Wady te, na przykład
inne jony w sieci, mogą stwarzać „most” między zbyt odległymi poziomami energetycznymi.
Mogą pracować jak przewoźnik na szerokiej rzece przerzucając elektrony na wyŜszy poziom.
Powoduje to przewodzenie izolatorów, czyli zmianę ich w półprzewodniki.

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do ćwiczeń.

1.  Co rozumiesz przez pojęcia kryształ i komórka jednostkowa?
2.  Jakie są zadania krystalochemii?
3.  Jakie są podstawowe prawa krystalochemii?
4.  Jak moŜna wykrywać wady w strukturach kryształów?
5.  Jak zbudowane są krzemiany?
6.  Co to jest liczba koordynacyjna?
7.  Co nazywamy przewodnikami i dielektrykami?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Połącz odpowiednie terminy z kolumny I i przyporządkuj im określenia z kolumny II.

Termin

Określenie

Kryształ

Wszystkie znane naturalne i sztuczne kryształy

Komórka jednostkowa

Jest

liczba

najbliŜszych

elementów

struktury

(jonów)

otaczających dany jon w krysztale

Krzemiany

Ugrupowanie przestrzenne atomów, jonów lub drobin o prawidłowej
okresowości

Kryształy rzeczywiste

Zbudowane są z sieci o koordynacji jonowej

Liczba koordynacyjna

Ciało, które przeciwstawia się uporządkowanemu przepływowi
prądu elektrycznego

Przewodnik

Stanowi powtarzający się motyw konstrukcyjny danego kryształu

Dielektryk (izolator)

Ciało, które przewodzi prąd elektryczny wskutek uporządkowanego
przepływu elektronów w polu przyłoŜonego napięcia

Termin

Określenie

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać określone treści z Poradnika dla ucznia,
2)  przeanalizować zawartość tabeli w ćwiczeniu 1,
3)  dobrać w pary: termin – określenie,
4)  połączyć poprawne określenia,
5)  zaprezentować wykonane ćwiczenie.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zeszyt,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 2

Uzupełnij teksty odpowiednimi słowami. W kaŜdą lukę naleŜy wpisać tylko jedno słowo.

Zadania krystalochemii:

−

badania struktury ...............,

−

............... wpływu rozmieszczenia atomów w kryształach (struktury) i budowy ich osłon
elektronowych na właściwości fizyczne i chemiczne kryształów.
Kryształem, w ogólnym znaczeniu, nazywamy ugrupowanie przestrzenne .............. jonów

lub drobin, wykazujące prawidłową okresowość w róŜnych kierunkach.

Dielektrykami (.....................) nazywamy takie ciała, które przeciwstawiają się

uporządkowanemu przepływowi prądu elektrycznego. NaleŜą do nich głównie kryształy
krzemianów, w których warstwy zewnętrzne atomów (jonów) są obsadzone przez elektrony.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować tekst ćwiczenia,
2) przeanalizować luki decydując, jakie słowa naleŜy wpisać,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3)  uzupełnić luki odpowiednimi zwrotami,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Określ, które zdania są prawdziwe, a które fałszywe.

Zdanie

Prawda

Fałsz

Kryształem, w ogólnym znaczeniu, nazywamy ugrupowanie przestrzenne atomów,
jonów lub drobin, wykazujące prawidłową okresowość w róŜnych kierunkach.

Wszystkie znane naturalne i sztuczne atomy naleŜą do kryształów rzeczywistych.

Liczba koordynacyjna jest to liczba ułamkowa elementów struktury (np. jonów)
otaczających dany koordynujący (podporządkowujący je sobie) jon w krysztale.

Przewodnikami nazywamy ciała, które nie przewodzą prądu elektrycznego
wskutek uporządkowanego przepływu elektronów w polu przyłoŜonego napięcia.

Dielektrykami (atomami) nazywamy takie ciała, które przeciwstawiają się
uporządkowanemu przepływowi prądu elektrycznego.

RóŜne rodzaje wad sieciowych moŜna wykrywać i badać za pomocą promieni
Roentgena, przewodnictwa elektrycznego.

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  przeczytać określone treści z Poradnika dla ucznia dotyczące krystalochemii,
2)  przeanalizować zdania decydując czy jest prawdziwe czy fałszywe,
3)  uzupełnić tabelę,
4)  zaprezentować wykonane ćwiczenie,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zeszyt,

−

literatura zgodna z punktem 6 Poradnika dla ucznia.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zdefiniować pojęcia: kryształ, komórka jednostkowa?



2) określić zadania krystalochemii?



3) wymienić podstawowe prawa krystalochemii?



4) określić, jak zbudowana jest sieć krzemianów?



5) zdefiniować pojęcie liczby koordynacyjnej?



6) określić, na czym polega badanie wad struktury kryształów?



7) zdefiniować pojęcia: przewodniki, dielektryki?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

Instrukcja dla ucznia

1.  Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.  Test  zawiera  20  zadań.  Wszystkie  zadania  są  zadaniami  wielokrotnego  wyboru  i  tylko

jedna odpowiedź jest prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi: zaznacz prawidłową

odpowiedź X (w przypadku pomyłki naleŜy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem,
a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową).

6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7. Kiedy udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóŜ jego

rozwiązanie na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci czas wolny. Trudności mogą
przysporzyć Ci zadania: 16–20, gdyŜ są one na poziomie trudniejszym niŜ pozostałe.
Przeznacz na ich rozwiązanie więcej czasu.

8. Na rozwiązanie testu masz 30 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Jądro atomowe składa się z

a)  elektronów.
b)  protonów i neutronów.
c)  promieni atomowych.
d)  protonów.

2. Powłokowa konfiguracja elektronowa to

a)  elektrony walencyjne.
b)  rozmieszczenie elektronów w powłokach.
c)  liczba powłok elektronowych.
d)  prawo okresowości.

3. NaOH to wzór chemiczny

a)  wodorotlenku sodu.
b)  wodorotlenku magnezu.
c)  kwasu.
d)  soli.

4. Czerwony kolor na fajansie pochodzi od pierwiastka

a) germanu.
b) chromu Cr

c) tlenu.
d) azotu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. Estry stosuje się do produkcji

a)  tkanin.
b)  środków owadobójczych.
c)  ceramiki.
d)  mas plastycznych.

6. Reakcja wymiany to

a)  przemiana fizyczna.
b)  reakcja łączenia dwóch substratów w jeden produkt.
c)  reakcja, w wyniku której następuje wymiana składników między substratami.
d)  reakcja rozpadu jednego substratu na dwa produkty.

7. Topnienie to przekształcenie

a)  ciała stałego w gaz.
b)  ciała stałego w ciecz.
c)  cieczy w ciało stałe.
d)  cieczy w gaz.

8. Cechą roztworu rzeczywistego jest to, Ŝe

a)  moŜna składniki rozróŜnić wzrokowo.
b)  moŜna wyróŜnić w nim dwie fazy: ciekłą i stałą.
c)  jego składnikami są tylko ciecze.
d)  składników nie moŜna rozróŜnić wzrokowo.

9. Ugrupowanie przestrzenne atomów, jonów lub drobin, wykazujące prawidłową

okresowość w róŜnych kierunkach nazywamy
a)  liczbą koordynacyjną.
b)  atomem.
c)  kryształem.
d)  molem.

10. Proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty

tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze nazywamy
a)  rozpuszczaniem.
b)  wysalaniem.
c)  peptyzacją.
d)  koagulacją.

11. Wszystkie czynności, związane z przemianami fizycznymi i chemicznymi, które naleŜy

wykonać, aby z surowca otrzymać gotowy produkt noszą nazwę
a)  procesu technologicznego.
b)  procesów jednostkowych.
c)  procesu produkcyjnego.
d)  operacji jednostkowych.

12. Z róŜnych miejsc, duŜej partii materiału, pobrano szereg próbek. Są to próbki

a)  pierwotne.
b)  analityczne.
c)  średnie.
d)  ogólne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13. Substancje zdolne do obniŜania lepkości gęstwy przy stałej ilości wody to

a)  masy.
b)  roztwory.
c)  koloidy.
d)  upłynniacze.

14. Do pobrania próbek materiałów sypkich naleŜy uŜyć

a)  pojemnik.
b)  kruszarkę.
c)  zgłębnik.
d)  cylinder.

15. TęŜenie (sztywnienie, galaretowacenie) zawiesin minerałów ilastych to zjawisko

a)  upłynniania.
b)  koagulacji.
c)  tiksotropii.
d)  peptyzacji.

16. Koloidem nie jest

a)  galareta.
b)  klej.
c)  zawiesina.
d)  faza rozproszona występuje w rozdrobnieniu od 1 do 200 nm.

17. Podczas rozcieńczania stęŜonego kwasu siarkowego(VI) naleŜy

a)  powoli wlewać wodę do kwasu, roztwór ciągle mieszając.
b)  całą ilość wody szybko wlać do odmierzonego wcześniej kwasu.
c)  powoli wlewać kwas do wody, roztwór ciągle mieszając
d)  całą ilość kwasu odmierzonego wcześniej kwasu szybko wlać do wody

18. Liczba koordynacyjna to liczba

a)  molowa.
b)  atomowa.
c)  elektronów.
d)  elementów struktury (np. jonów) otaczających dany koordynujący jon w krysztale.

19. Celem przygotowania próbki średniej nie jest

a)  ustalenie koloru gliny.
b)  wydzielenie części surowca.
c)  przygotowanie potrzebnej ilości do badań.
d)  ustalenie właściwości odpowiadającym nadesłanej całości.

20. Po rozpuszczeniu 50 gramów soli w 200 gramach wody otrzymamy roztwór o stęŜeniu

a)  2%
b)  20%
c)  25%
d)  2,5%.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ……………………………………………………..

Stosowanie podstawowych pojęć z zakresu chemii ceramicznej

Zakreśl poprawną odpowiedź.

Numer

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem: