1
1. Budowa materii: pierwiastki, liczba atomowa, masowa, konfiguracja elektronowa,
orbitale.
Obecnie materia dzieli się na trzy stany skupienia:
Gazy
Ciecze
Ciało stałe
Niesklasyfikowane są plazma i ciekły kryształ, gdyż posiadają właściwości więcej niż jednego stanu
skupienia. Zaś ciała stałe dzielą się na amorficzne i krystaliczne.
Atomy składają się z protonów (p) i neutronów (n) (nukleonów) umieszczonych w jądrze i elektronów
(e) krążących wokół jądra. Atom – podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio
naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku
elektrycznym. Atomy są podzielne, są elektrycznie obojętne. Atom = jądro + elektrony. Atomy
różnych pierwiastków różnią się od siebie. Elektron porusza się w przestrzeni wokół jądra z bardzo
dużą prędkością (1 000 000 m/s).
Jądro – centralna część atomu, skupia prawie całą masę atomu. Składa się ono z nukleonów:
protonów (+) i neutronów (0).
A – liczba masowa neutrony +protony
(A = 1p + 1n)
Z
–
liczba
atomowa
protonów/elektronów
(Z = 1e = 1p)
Liczba masowa (A) – wartość opisująca liczbę nukleonów (czyli protonów i neutronów) w jądrze
atomu (nuklidzie) danego izotopu danego pierwiastka. Liczby masowej nie należy mylić z masą
atomową pierwiastka, która wyznaczana jest metodami chemicznymi, ani też z masą pojedynczego
jądra. Różnice tych wartości wynikają z: istnienia izotopów, defektu masy jądra, dodatkowego udziału
elektronów w masie atomowej.
Liczba atomowa ( Z ) (liczba porządkowa) określa, ile protonów znajduje się w jądrze danego atomu.
Jest także równa liczbie elektronów niezjonizowanego atomu. Atomy, które posiadają taką samą
liczbę protonów, są z definicji atomami jednego pierwiastka. Nie oznacza to jednak, że wszystkie
atomy jednego pierwiastka posiadają taką samą masę, gdyż mogą one posiadać różną liczbę
neutronów w jądrach. Atomy posiadające tę samą liczbę atomową, ale różną liczbę neutronów
nazywa się izotopami. Izotopy wodoru posiadają własne symbole chemiczne, ale można łatwo
rozpoznać, że jest to ten sam pierwiastek, dzięki jednakowej liczbie atomowej. Liczba atomowa jest
podstawą uporządkowania pierwiastków w układzie okresowym i z tego powodu nazywana jest także
liczbą porządkową.
Proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego, suma ich ładunków daje +1. Neutron
składa się z jednego kwarka górnego i dwóch dolnych, suma ładunków = 0.
Pierwiastek to inaczej substancja prosta, jego atomy zachowują te same właściwości. Inaczej
substancja, która zawiera jednakową ilość protonów w jądrze.
Pierwiastek chemiczny – zbiór atomów o takiej samej liczbie atomowej. Atomy tego samego
pierwiastka mają te same właściwości chemiczne.
Cząsteczka chemiczna – cząstka składająca się z co najmniej dwóch połączonych ze sobą atomów
tego samego pierwiastka lub różnych (związek chemiczny).
2
Powłokę elektronową tworzą elektrony krążące w tej samej odległości wokół jądra. Powłok może być
maksymalnie 7. Ilość elektronów na każdej powłoce określa wzór 2n
2
., Czyli na pierwszej powłoce
mogą być 2 elektrony, a na 7 aż 98 elektronów (K=1, L=2, M=3, N=4, O=5, P=6, Q=7). Poniżej
kolejność zapełniania powłok elektronowych wraz z podpowłokami. Podpowłoki
powstają wskutek dużej ilości elektronów na powłoce. Oddziałują one na siebie
wzajemnie odpychająco, powodując rozszczepienie powłok, na podpowłoki.
Orbital to część podpowłoki, na której jest największe prawdopodobieństwo
znalezienia elektronu. Wg reguły Hunda najpierw zapełnia się orbitale
tak, by elektrony były na nich niesparowane, elektrony te posiadają
wtedy jednakową orientację spinu, dzieje się tak, gdyż elektrony
starają wybierać stan kwantowy o najniższej energii. Następnie wg
zakazu Pauli’ego, gdy na jednym orbitalu pojawią się dwa
elektrony, muszą mieć one przeciwny spin. ↑ - spin zgodny z ruchem
wskazówek zegara, ↓ - odwrotny. (Elektrony ostatniej powłoki to elektrony walencyjne).
Ilość orbitali na podpowłokach:
s – jeden orbital, ma kształt sfery,
p – trzy, mają kształt 8 nabitej na oś
d – pięć, mają kształty 8 i pierścienia wokół środka (dziwne bajery)
f – siedem,
itd.
Konfiguracja elektronowa – sposób rozmieszczenia elektronów na powłokach i podpowłokach.
Przykłady konfiguracji elektronowej z uwzględnieniem wszystkich zasad:
Kolejność zajmowania podpowłok: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d
2. Układ okresowy, struktura, grupy pierwiastków, izotopy, roztwory, mieszaniny, związki.
Układ okresowy pierwiastków: zestawienie wszystkich pierwiastków, uporządkowanych wg rosnącej
liczby atomowej, grupujące pierwiastki wg ich cyklicznie powtarzający się podobieństw właściwości.
Jest to zbiór sztucznie i naturalnie stworzonych pierwiastków.
W grupach głównych wszystkie elektrony z powłoki walencyjnej zajmują orbitale typu: s i p, w
grupach pobocznych orbitale: s i d, a w grupie lantanowców i aktynowców orbitale: s, d i f. Jest to
podstawą do podzielenia układu okresowego na bloki: s i p (grupy główne), d (grupy poboczne) oraz f
(lantanowce i aktynowce). W większości współczesnych, graficznych przedstawień układu
okresowego grupy główne są rozdzielone za drugą grupą całym blokiem d, a blok f jest "wyciągnięty"
pod połączone bloki s, p i d. Pierwiastki danego okresu mają tę samą liczbę powłok elektronowych.
3
Pierwiastki należące do tej samej grupy charakteryzują się tą samą liczbą elektronów walencyjnych, a
w konsekwencji podobnymi właściwościami chemicznymi.
Pierwiastki w tej samej grupie mają zbliżone właściwości fizyczne i chemiczne, ponieważ mają taką
samą ilość elektronów walencyjnych.
Izotop – odmiana pierwiastka o innej liczbie neutronów, może posiadać inne właściwości fizyczne i
chemiczne. Najbardziej znanymi izotopami, są izotopy wodoru, tzn. prot, deuter i tryt. Deuter ma
zdolność spowalniania neutronów, używa się go do tworzenia ciężkiej wody D
,2O,
która z kolei jest
używana w elektrowniach jądrowych. Tryt używany jest, jako wskaźnik wieku. Ze względu na różnicę
mas atomowych izotopów danego pierwiastka, zmieniać się mogą też właściwości fizyczne i
chemiczne, mają inną gęstość, temp. wrzenia, topnienia i sublimacji. Izotopy promieniotwórcze
znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, a nawet medycyny. Izotopy z grubsza dzielą się
na:
Trwałe – nie ulegają samorzutnie przemianie na inne pierwiastki,
Nietrwałe – ulegają samorzutnej przemianie na izotopy innych pierwiastków,
wydzielając promieniowanie gamma γ i energię kinetyczną E
k
Zastosowanie izotopów: czujniki przeciwpożarowe, medycyna, geologia, archeologia, energetyka
jądrowa.
Czas połowicznego rozpadu: czas, w którym zanika połowa jąder danego pierwiastka.
Substancje chemiczne:
Proste - pierwiastki
Złożone:
Związki chemiczne – jednorodne połączenie co najmniej dwóch pierwiastków chemicznych za
pomocą dowolnego wiązania chemicznego posiadające zerowy sumaryczny ładunek elektryczny.
Powstaje w wyniku połączenia się substancji prostych jakimkolwiek wiązaniem chemicznym, ma inne
właściwości od swoich składników, sumaryczny ładunek musi wynosić 0. Mają inne właściwości, niż
składniki, z których powstały.
Mieszaniny – zwykłe wymieszanie dwóch lub więcej substancji, po zmieszaniu nadal wykazują swoje
własności, można je łatwo rozdzielić różnymi metodami mechanicznymi i fizycznymi. Gazowa –
powietrze, ciekłe – roztwory, stałe – stopy.
Jednorodne – nierozróżnialne składniki gołym okiem, utracenie części
właściwości, np. woda z solą, alkohol i woda, powietrze
Niejednorodne – rozróżnialne składniki, łatwe oddzielanie,
zachowanie większości właściwości składników, np. piasek i woda,
granit, sól i siarka
Roztwór – mieszanina jednorodna. Składa się z rozpuszczalnika i substancji rozpuszczanej. Rodzaje:
Właściwy – roztwór jednofazowy o bardzo małych cząsteczkach
Koloidalny – roztwór dwufazowy, składa się z fazy ciągłej i fazy rozproszonej,
zawieszonej w ośrodku, nierozpuszczalnej w nim.
Rozpuszczalność jest to maksymalna liczba gramów substancji, którą można rozpuścić w 100 g
rozpuszczalnika w danej temperaturze, aby otrzymać roztwór nasycony. Zależy od temperatury,
ciśnienia, rozpuszczalnika i substancji rozpuszczanej.
Roztwór nasycony – taki, w którym w danej temperaturze nie można już więcej rozpuścić danej
substancji.
Roztwór nienasycony – taki, w którym można.
4
Koloid - niejednorodna mieszanina, zwykle dwufazowa, tworząca układ dwóch substancji, w którym
jedna z substancji jest rozproszona w drugiej. Rozdrobnienie (czyli dyspersja) substancji rozproszonej
jest tak duże, że fizycznie mieszanina sprawia wrażenie substancji jednorodnej, jednak nie jest to
wymieszanie na poziomie pojedynczych cząsteczek.
Zawiesina - układ niejednorodny, dwufazowy, w postaci cząstek jednego ciała rozproszonych (faza
rozproszona) w drugim ciele (faza rozpraszająca), np. cząstek ciała stałego w gazie lub cząstek cieczy
w cieczy. Jeżeli cząstki te są dostatecznie małe, mowa jest o układzie koloidalnym. Składniki zawiesiny
można rozdzielić na sączku z bibuły filtracyjnej. Przykładem zawiesiny może być mąka lub kreda w
wodzie.
Stężenie procentowe to udział substancji chemicznych w mieszaninach i roztworach wyrażony w
procentach. To ilość gramów substancji, która znajduje się w 100 g roztworu. Stężenie procentowe
(masowe) – Cp – określa stosunek ilości substancji rozpuszczonej do ilości roztworu. Wyrażane jest w
%. Liczbowo stężenie procentowe jest równe liczbie gramów substancji rozpuszczonej, zawartej w
100 g roztworu. Jeżeli ocet jest 6% to znaczy, że w 100 g octu znajduje się 6 g kwasu octowego i 94 g
wody. Każdy roztwór składa się z substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika (najczęściej wody ).
Podczas rozwiązywania zadań korzystamy ze wzorów: Cp = ms/mr * 100%, ms + mw = mr
Stężenie molowe - liczba moli substancji rozpuszczonej (ns) w 1 dm3 roztworu. Wyznacza się go jako
stosunek liczby moli substancji rozpuszczonej do objętości całego roztworu (Vr). Stężenie molowe
jest zależne od temperatury, ponieważ objętość roztworu jest funkcją temperatury. Praktycznie
stosowaną jednostką stężenia molowego jest mol/dm3. Cm=ns/Vr
3. Wiązania (oddziaływania) chemiczne, mechanizm.
Wiązania chemiczne - oddziaływania powodujące, że atomy łączą się w cząsteczki. Oddziaływanie
elektrostatyczne łączące atomy w cząsteczkach związków chemicznych.
Wiązania tworzą elektrony walencyjne – powłoki atomów wodoru posiadające po 1 elektronie
walencyjnym po zbliżeniu zlewają się w taki sposób, jakby tworzyły jedna powłokę. Dwa elektrony są
jednakowo przyciągane przez dwa jądra i uwspólnione przez nie.
Elektroujemność - miara tendencji do przyciągania elektronów przez atomy danego pierwiastka, gdy
tworzy on związek chemiczny z atomami innego pierwiastka. Bardziej elektroujemny pierwiastek
"ściąga" do siebie elektrony tworzące wiązanie z atomem mniej elektroujemnym, co prowadzi do
polaryzacji wiązania.
1. Rodzaje wiązań w ciałach stałych:
Jonowe (heteropolarne) – przyjmując i oddając elektrony atomy osiągają strukturę
najbliższego gazu szlachetnego. Polega na przekształcaniu się dwóch atomów w
kation i anion a następnie na elektrostatycznym przyciąganiu się różnoimiennych
ładunków. Jeden z atomów – później anion oddaje część swoich elektronów
walencyjnych drugiemu atomowi – później kationowi, by ten mógł utworzyć oktet
elektronowy. Najczęściej kationem zostaje metal, anionem niemetal. Zachodzi, gdy
różnica elektroujemności jest większa niż 1,7. Ze względu na różnicę ładunku (+ i -)
oba atomy się przyciągają. Siły elektrostatyczne działają w każdym kierunku, Jony
zaczynają zbliżać się do siebie tworząc uporządkowaną sieć. Cechy: cząsteczki
składają się z jonów, stan stały – duża siła wiązania, kryształy twarde, wysokie
5
temperatury wrzenia i topnienia, rozpuszczają się dobrze w rozpuszczalnikach
polarnych, nie przewodzą prądu, reakcje z ich udziałem zachodzą bardzo szybko.
Kowalencyjne (homopolarne) – dążenie atomów do przyjęcia konfiguracji
najbliższego gazu szlachetnego poprzez uwspólnienie par elektronów – dublet i
oktet. Występuje pomiędzy atomami o średniej różnicy elektroujemności (0-0,4) i
zarazem o wysokiej elektroujemności. Polega na uwspólnieniu pary (bądź par)
elektronów, które krążą, jako chmura elektronowa wokół obu jąder atomowych.
Istnieje wiązanie kowalencyjne niespolaryzowane i spolaryzowane. To pierwsze
występuje, gdy łączą się te same pierwiastki niemetalu. O
2
. Zaś spolaryzowane
powstaje, gdy łączą się różne pierwiastki, powoduje to powstawanie dipoli z
połączonych pierwiastków. Właściwości: mogą występować w trzech stanach
skupienia, nie przewodzą prądu elektrycznego (grafit tak), o wiązaniach
niespolaryzowanych słabo rozpuszczają się w wodzie i innych rozpuszczalnikach
polarnych, niskie temperatury wrzenia i topnienia, wolno reagują.
Metaliczne – powstaje między pierwiastkami metali, których różnica
elektroujemności wynosi maks. 0,4. Polega na oderwaniu się elektronów
walencyjnych od atomu i powstawanie kationów, wokół których znajduje się gaz
elektronowy z oderwanych elektronów, elektrony walencyjne mogą się swobodnie
poruszać wokół kationów, powoduje to powstanie pasma przewodnictwa.
Właściwości: uwspólnione elektrony walencyjne ograniczają odpychanie jonów,
przewodnictwo elektronowe, kationowa budowa sieci krystalicznej zapewnia
plastyczność,
Międzycząsteczkowe (siły van der Walsa) – najsłabsze wiązania, sąsiednie cząsteczki
indukują w sobie dipole elektryczne, co staje się źródłem słabego przyciągania
między tymi cząsteczkami. Dokładniej: niesymetrycznie rozstawienie cząsteczek
powoduje w nich strony „bardziej dodatnie” i „bardziej ujemne”. Bardzo słabe
oddziaływania – pomiędzy wszystkimi typami atomów i cząsteczek, wywołują efekt o
bardzo dużym znaczeniu biologicznym i chemicznym: odpowiadają za przyciąganie
się cząsteczek niepolarnych cieczy.
Wiązanie wodorowe dwie cząsteczki/jony połączone są jonem wodorowym;
Szczególne znaczenie ma wiązanie –O–H---O–; Pełni szczególną rolę w utrzymaniu
białek i kwasów nukleinowych. Jest skutkiem oddziaływań pomiędzy atomami o
dużej elektroujemności, posiadającymi wolne pary elektronów a atomami H, mają
duże znaczenie w budowie materii organicznej,
Wiązanie sigma – wszystkie wiązania powstające w wyniku czołowego nakładania się
orbitali nazywa się wiązaniami sigma (najbardziej prawdopodobne występowanie
elektronu pokrywa się z osią łączącą oba elektrony).
Oktet elektronowy – konfiguracja elektronów walencyjnych, jaką posiadają gazy szlachetne. W
wiązaniach atomy dążą do tej konfiguracji, gdyż jest ona najtrwalsza, wynika to z korzystnego
zapełnienia orbitali s i p.
Wiązanie koordynacyjne – wyjątkowy przypadek wiązania kowalencyjnego, gdy uwspólniona para
elektronów pochodzi od jednego atomu: NH
4
Cl.
4. Stany skupienia materii, wielkości, prawa.
Trzema podstawowymi stanami skupienia są:
Gaz
Ciecz
Ciało stałe.
6
Dyfuzja - Jest to proces rozprzestrzeniania się cząsteczek w danym ośrodku, będący konsekwencją
chaotycznych zderzeń cząsteczek. Samorzutne rozprzestrzenianie się cząsteczek wywołane
nieustannym ruchem molekularno-kinetycznym. Najszybciej przebiega w gazach.
Gaz doskonały – cząsteczki gazu można uważać za punkty materialne, brak oddziaływać pomiędzy
cząsteczkami gazu, cząsteczki poruszają się stale i bezwładnie po torach prostoliniowych, zderzenia
cząsteczek gazu są doskonale sprężyste.
Prawo Avogarda - określa że, jednakowe objętości gazów zawierają w tej samej temperaturze i pod
tym samym ciśnieniem jednakową liczbę cząsteczek.
A to oznacza, że w warunkach normalnych 22,4 dm3 tlenu, dwutlenku węgla, helu i wielu innych
gazów będzie zawierało 6,02 * 10
23
cząsteczek lub atomów.
Równanie Clapeyrona, równanie stanu gazu doskonałego to równanie stanu opisujące związek
pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego, a w sposób przybliżony opisujący
gazy rzeczywiste: pV=nRT
Gazy – substancje bez określonego kształtu i objętości. Przyjmują te właściwości od naczynia, w
którym się znajdują.
Ciecz – zachowują własną objętość, lecz przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują. Ciecze
charakteryzuje lepkość i napięcie powierzchniowe. Lepkość to opór przeciwdziałający płynięciu.
Napięcie powierzchniowe cieczy określa działającą na jej powierzchnię siłę. Powierzchnia cieczy jest
gładka, ponieważ siły międzycząsteczkowe wciągają cząsteczki do wewnątrz.
Ciała stałe dzielą się na krystaliczne i amorficzne, mają określony kształt i objętość, charakteryzują się
sztywnością. Istnieją trzy podstawowe komórki elementarne, wg, których układa się większość
kryształów:
A1 – regularna, płasko centrowana,
A2 – regularna, przestrzennie centrowana,
A3 – heksagonalna, zwarta.
Między cząsteczkami metali występuje wiązanie metaliczne. Ruchliwość elektronów walencyjnych
warunkuje takie właściwości metalu, jak:
Połysk,
Kowalność,
Ciągliwość,
Przewodnictwo elektryczne.
Klasyfikacja materiałów wg oporności:
1. Izolator,
2. Przewodnik metaliczny,
3. Półprzewodnik,
4. Nadprzewodnik.
Lepkość (tarcie wewnętrzne, wiskoza) – właściwość płynów i plastycznych ciał stałych
charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu, wynika ze zdolności płynu do
przekazywania pędu pomiędzy warstwami poruszającymi się z różnymi prędkościami.
Kohezja - ogólna nazwa zjawiska stawiania oporu przez ciała fizyczne, poddawane rozdzielaniu na
części. Jej miarą jest praca potrzebna do rozdzielenia określonego ciała na części, podzielona przez
powierzchnię powstałą na skutek tego rozdzielenia.
Adhezja – łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw ciał fizycznych lub faz (stałych lub ciekłych).
Miarą adhezji jest praca przypadająca na jednostkę powierzchni, którą należy wykonać aby rozłączyć
stykające się ciała.
7
5. Teoria pasmowa, stopy.
Metale – ruchliwość elektronów walencyjnych w metalach warunkuje ich właściwości: połysk,
kowalność, ciągliwość, przewodnictwo elektryczne.
Opór elektryczny – miara zdolności substancji do przewodzenia elektryczności. Im mniejszy, tym
lepiej substancja przewodzi elektryczność.
Teoria pasmowa dotyczy zasadniczo dwóch poziomów energetycznych atomów w ciele stałym:
najbardziej zewnętrznego poziomu obsadzonego elektronem i najbliższego mu poziomu
wzbudzonego. Poziomy te pod wpływem oddziaływania pól elektrostatycznych pozostałych atomów
ulegają rozszczepieniu na dużą liczbę blisko położonych poziomów tworzących pasma energetyczne:
walencyjne i przewodnictwa. W ramach pasma elektrony poruszają się swobodnie dzięki małym
różnicom energii pomiędzy tworzącymi je poziomami. Na każdym poziomie tworzącym pasmo mogą
być 2 elektrony.
Półprzewodnik – substancja, której przewodność może być zmieniana za pomocą różnych sposobów,
do domieszek, po naświetlenie. Istnieją następujące typy półprzewodników:
Półprzewodnik samoistny – monokryształ półprzewodnika, którego materiał jest
idealnie czysty, bez zamieszek, w temperaturze ok. 300K część elektronów przechodzi
do pasma przewodnictwa pozostawiając nieobsadzone miejsca w paśmie
walencyjnym, miejsca te będą zajmowane przez elektrony z niższych pasm, gdy
dostarczy się im energię.
Półprzewodnik typu n – jego działanie polega na wprowadzenie do kryształu
półprzewodnika (krzemu IV) zanieczyszczeń w postaci pięciowartościowych
pierwiastków. Powoduje to powstanie jednego wolnego elektronu, który przejdzie do
pasma przewodnictwa półprzewodnika. Tworzy to w paśmie przewodnictwa pasmo
donorowe – złożone właśnie z tych elektronów, są one wtedy nośnikiem ładunku w
półprzewodniku.
Półprzewodnik typu p – polega na wprowadzeniu do kryształu półprzewodnika
(krzemu IV) zanieczyszczeń w postaci trójwartościowych pierwiastków. Oznacza to, że
będzie brakowało czwartego elektronu do uzupełnienia wiązań. Powstaje dodatkowy
poziom energetyczny zwany akceptorowym położony nad lub w walencyjnym
poziomie. Poziom ten wiąże elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym, w
którym brakuje po jednym elektronie na każdy atom domieszki, są to tak zwane
dziury elektronowe, które zdolne są do przewodzenia prądu.
Stop – mieszanina dwóch lub więcej metali, lub metalu z innym pierwiastkiem, wykazują zazwyczaj
większą twardość i mniejszą przewodność elektryczną niż czyste metale. Stopy dzielą się na:
Stop jednofazowy – atomy są rozmieszczone równomiernie, substancja rozpuszczana
nie przekracza granicznej rozpuszczalności, mosiądz, brąz, stopy monetowe.
Stop wielofazowy – atomy są rozmieszczone nierównomiernie, mieszaniny obszarow
krystalicznych o różnym składzie, lut cyna-ołów, amalgamat
Inny podział:
Stop substytucyjny – część atomów głównego składnika stopu w sieci krystalicznej
zostaje zastąpiona atomami domieszki, muszą to być atomy wystarczająco duże.
Stop międzywęzłowe – atomy domieszki muszę być wystarczająco małe, by zmieścić
się między wiązaniami metalu.
8
6. Krystalografia, alotropia.
Ciało krystaliczne – ciało stałe, w którym cząsteczki (kryształy molekularne), atomy (kryształy
kowalencyjne) lub jony (kryształy jonowe) są ułożone w uporządkowany schemat powtarzający się
we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych. W objętości ciała cząsteczki zajmują ściśle określone
miejsca, zwane węzłami sieci krystalicznej, i mogą jedynie drgać wokół tych położeń.
Każdy kryształ zbudowany jest z wielu powtarzających się tzw. komórek elementarnych. W zależności
od jej rodzaju kryształy tworzą różne układy krystalograficzne.
Określenie ciało krystaliczne odnosi się do ciał o dwojakiej budowie:
- monokryształu, zwanego krócej kryształem – uporządkowanie obejmuje całe ciało
- polikryształu – uporządkowanie obejmuje fragmenty ciała.
Anizotropia - Wykazywanie odmiennych właściwości (rozszerzalność termiczna, przewodnictwo
elektryczne, współczynnik załamania światła, szybkość wzrostu i rozpuszczania kryształu) w zależności
od kierunku. Ciała anizotropowe wykazują różne właściwości w zależności od kierunku, w którym
dana właściwość jest rozpatrywana. Anizotropię sprężystości i prędkości wzrostu wykazują wszystkie
kryształy.
Komórka elementarna – jest to najmniejsza jednostka, z której można zbudować kryształ, poprzez
dodawanie jej (powielanie) w trzech prostopadłych kierunkach. Komórka elementarna powtarza się
we wszystkich trzech kierunkach, tworząc zamkniętą sieć przestrzenną, której główną cechą jest
symetria. Komórka elementarna ma zawsze kształt równoległościanu. Poprzez translacje komórki
elementarnej o wektory będące całkowitymi wielokrotnościami wektorów sieci krystalicznej
otrzymuje się całą sieć krystaliczną kryształu.
Rodzaje kryształów ze względu na wiązania:
9
Kryształy kowalencyjne:
Atomy przyjmują stabilną konfigurację elektronową odpowiedniego gazu
szlachetnego.
Np. diament, gdzie każdy atom C jest otoczony 4 innymi ułożonymi w kształcie
czworościanu.
Defekty sieci krystalicznej dzielą się w zasadzie na dwie grupy:
Punktowe,
o Wakans – brak atomu w węźle sieci,
o Obcy atom w sieci,
o Atom międzywęzłowy.
o Defekt Schotky’ego – atom tworzy wakans i wywędrowuje na zewnątrz
o Defekt Frenkla – atom wtrącony jest tak duży, że powoduje rozsunięcie
innych atomów na odległości większe, niż zwykle.
Liniowe:
o Dyslokacja krawędziowa – wywołuje ją obecność dodatkowej półpłaszczyzny
w sieci, powodującej wydłużenie się sieci:
o Dyslokacja śrubowa - wyznaczająca granicę
między przesuniętą i nieprzesuniętą częścią
kryształu. Granica ta przebiega równolegle do
kierunku poślizgu a nie prostopadle, jak to ma
miejsce w przypadku dyslokacji krawędziowej.
Alotropia – nazywamy występowanie tego samego pierwiastka lub związku w postaci dwóch lub kilku
odmian krystalicznych, a odmiany te nazywamy alotropowymi. Przemiany alotropowe zachodzą przy
stałych temperaturach i towarzyszy im wydzielanie lub pochłanianie utajonego ciepła przemiany (w
zależności od kierunku jej zachodzenia). Najważniejszymi odmianami alotropowymi są odmiany
alotropowe węgla:
Diament – wiązania kowalencyjne, najtwardszy naturalny materiał, izolator, mało
aktywny, nawet w wysokich temperaturach, ulega powolnemu spalaniu w powietrzu
w 1100K, nie ulega działaniu zasad i kwasów.
Grafit – płaskie pierścienie heksagonalne połączone kowalencyjnie, przewodnik
elektryczny.
Fuleren – każda cząsteczka zawiera parzystą liczbę atomów węgla i jego struktura
składa się z 12 pierścieni pięciokątnych i m sześciokątnych m= (n-20)/2, mogą być
zbudowane z 28-1500 atomów węgla
Monokryształ – materiał będący w całości jednym kryształem (np. kryształ cukru, soli,
półprzewodnika). Monokryształ może zawierać w całej swej objętości niewielką ilość defektów tejże
struktury, a jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlać struktury krystalicznej. Pojedynczy
kryształ lub krystalit mający w całej objętości jednolitą budowę wewn. (nie wykazuje zrostów,
pęknięć i wtrąceń obcych substancji). Pojedynczy kryształ, bez defektów makroskopowych, lecz
niekoniecznie ograniczony naturalnymi, płaskimi ścianami. Kryształ naturalny lub syntetyczny
pozbawiony wewnętrznych zrostów, pęknięć i wrostów, stosowany np. w laserach.
10
Polikryształ, ciało polikrystaliczne, zbiór mikrokryształów lub mikrokrystalitów zorientowanych w
różnych kierunkach. Jeśli mikrokryształy nie są zrośnięte z sobą, to polikryształ jest proszkiem
(krystalit, monokryształ). Ciało stałe stanowiące zbiór struktur mikrokrystalicznych lub b. drobnych
krystalitów, połączonych ze sobą albo tworzących rodzaj proszku; ciało polikrystaliczne.
7. Chemia organiczna, węglowodory, polimery, paliwa, izomeria.
Węglowodory:
Najprostsze związki organiczne, zawierające tylko atomy węgla i wodoru.
Jest ich bardzo dużo ze względu na mnogość sposobów łączenia się atomów węgla między
sobą.
Dzielimy je na następujące grupy:
Alifatyczne – łańcuchowe, nie zawierają pierścieni,
Aromatyczne – zawierają pierścień benzenowy:
o Nasycone – alifatyczne, bez wiązań wielokrotnych,
o Nienasycone – zawierają przynajmniej jedno wiązanie wielokrotne.
Podstawowe nazwy:
1.
Metan
Alkany
Cykloalkany
2.
Etan
3.
Propan
4.
Butan
5.
Pentan
6.
Heksan
7.
Heptan
8.
Oktan
9.
Nonan
10.
Dekan
Alkeny
Alkiny
Alkany - węglowodory nasycone, które posiadają wiązania pojedyncze w łańcuchu węglowym
CnH2n+2
Szereg homologiczny alkanów - szereg występujących po sobie węglowodorów nasyconych, z których
każdy następny posiada łańcuch węglowy dłuższy o grupę -CH2-
Właściwości alkanów: pojedynce wiązania w łańcuchu węglowym, mała aktywność chemiczna,
łatwopalne, lżejsze od wody, nierozpuszczalne w wodzie, rozpuszczalne w alkoholach, stan skupienia
zmienia się z długością łańcucha węglowego:
* od 1 do 4 - gazy * od 5 do 16 - ciecze * od 17 i więcej - ciała stałe
Alkeny - węglowodory nienasycone, które posiadają w swojej budowie wewnętrznej wiązania
wielokrotne (podwójne) CnH2n. Najprostszym alkenem jest eten (etylen), który jest bezbarwnym
11
gazem, tworzącym z powietrzem mieszaninę wybuchową. Podobnie jak alkany, węglowodory
nienasycone także tworzą szereg homologiczny. Są one związkami nierozpuszczalnymi w wodzie,
które łatwo ulegają reakcjom przyłączania w miejscu wiązania podwójnego i przechodzą w związki
nasycone (przyłączają np. wodór, fluorowce, tlen). Alkeny w obecności katalizatorów polimeryzują
(np. eten daje polietylen). Alkeny występują w niektórych ropach naftowych. Otrzymuje się je w
wyniku krakingu frakcji ropy naftowej, przez katalityczne odwodnienie alkanów, odwodnienie
alkoholi lub z wodoru i węgla (synteza Fischera i Tropscha).
Alkiny - węglowodory nienasycone, które posiadają w swojej budowie wewnętrznej wiązania
wielokrotne (potrójne) CnH2n-2. Najprostszym alkinem jest bezbarwny, palny, rozpuszczalny w
wodzie i bardzo aktywny chemicznie gaz - etyn (acetylen). Alkiny także tworzą szereg homologiczny.
Obecność wiązania potrójnego w cząsteczce alkinów przyczynia się do tego, że związki te łatwo
ulegają reakcjom (polimeryzacji i przyłączania). Alkiny są palne i znalazły zastosowanie w wielu
syntezach organicznych. Stosowane są także do w produkcji tworzyw sztucznych.
Węglowodory aromatyczne, areny – cykliczne węglowodory, w których istnieją sprzężone wiązania
wielokrotne, czyli zamknięty układ naprzemiennie położonych wiązań podwójnych i pojedynczych
między atomami węgla.
Benzen – organiczny związek chemiczny z grupy arenów. Jest to najprostszy karbocykliczny, obojętny
węglowodór aromatyczny. W temperaturze pokojowej benzen jest bezbarwną cieczą o
charakterystycznym, ostrym zapachu. Bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie.
Węglowodorami występującymi w przyrodzie są gaz ziemny, węgiel i ropa naftowa. Ich głównym
wykorzystaniem jest pozyskiwanie z nich energii. Węgiel występuje w kilku rodzajach: torf, węgiel
kamienny, węgiel brunatny, antracyt.
Gaz ziemny – paliwo kopalne pochodzenia organicznego, jest mieszaniną lekkich alkanów, głównym
jego składnikiem jest metan, następnie etan, propan, butan, mały odsetek wyższych alkanów i azot.
Jest gazem kopalnianym pochodzenia organicznego, gromadzi się w skorupie ziemskiej, czasem
występuje z ropą i naftą.
Torf – skała osadowa powstała z obumarłych szczątek roślinnych na terenach bagiennych. Pierwsza
obumarła warstwa zostaje pochłonięta przez bagno i jest prasowana i pokrywana przez kolejne
warstwy. Następnie po usunięciu większości tlenu powstaje torf.
Węgle kopalne, skały osadowe powstałe w wyniku nagromadzenia i przeobrażenia materii roślinnej.
Stanowią mieszaninę różnorodnych związków organicznych, w których skład wchodzą głównie:
węgiel, wodór, tlen, siarka i azot, a także substancje mineralne (np. krzemiany, siarczki i inne) oraz
pierwiastki rzadkie
Węgiel brunatny – efekt tej samej przemiany, co torf, po dłuższym okresie czasu. Zawartość węgla
62%-75%.
Węgiel kamienny – dalszy efekt. Od 75%-97%.
Antracyt – najsilniej przeobrażona postać węgla, najwyższa zawartość, największa kaloryczność,
najtrudniejszy do wykopania.
Piroliza – proces rozkładu termicznego substancji, w którym poddaje się ją działaniu wysokich
temperatur bez dostępu tlenu i innych czynników utleniających. Zwykle związki poddawane temu
procesowi rozkładają się na mniejsze, o mniejszej masie cząsteczkowej.
Pirolizie poddaje się węgiel, wynikiem tego działania są(z jednej tony węgla):
330m
3
gazu koksowniczego (20%),
Koks 650kg (65%),
Smoła węglowa 42kg (5%),
Woda pogazowa (10%), wykorzystuje się ją do tworzenia nawozów.
12
Rafinacja – proces przekształcania ropy naftowej w bardziej użyteczne produkty, składa się ona z:
Destylacji frakcyjnej – rozdzielenie składników ropy ze względu na ich temperatury wrzenia.
Skrapla się po kolei odpowiednie składniki, utrzymując pozostałe w postaci gazowej.
Krakingu – zrywanie wiązań między węglami, w tym procesie dłuższe łańcuchy alkanów
rozpadają się na krótsze alkanów i alkenów. Przeprowadza się go z użyciem wysokiej
temperatury, bądź katalizatora.
Reforming – proces otrzymywania benzyny z lżejszych frakcji przez rozbicie prostych
łańcuchów alkanów i przebudowanie ich w łańcuchy rozgałęzione.
Frakcja – mieszanina cieczy o podobnych temperaturach wrzenia. Lekkie frakcje maja niskie
temperatury wrzenia i krótkie łańcuchy węglowodorowe.
Składniki, jakie otrzymuje się z ropy naftowej to:
Benzyna – ciekła frakcja ropy naftowej o temperaturze wrzenia 40°C-150°C. Składa się z
alkanów zawierających 5-12 atomów węgla.
Nafta – ciekła frakcja ropy naftowej powstała po destylacji frakcyjnej. Składa się z alkanów
zawierających od 9 do 15 atomów węgla i wrze w przedziale temperatur 150°C – 250°C.
On – ciekła frakcja ropy naftowej powstała po destylacji frakcyjnej. Składa się z alkanów
zawierających od 12 do 25 atomów węgla i ma temperaturę wrzenia wyższą niż 250°C.
Mazut – olej pozostały po destylacji frakcyjnej, składa się z łańcuchów zawierających nawet
40 atomów węgla, wrze w 350°C.
Inne rodzaje węgla:
Węgiel drzewny – lekka czarna substancja wytwarzana w procesie suchej destylacji z drewna.
Ropa naftowa, olej skalny, paliwo kopalne, ciekła naturalna mieszanina węglowodorów (m.in.
alkanów, cykloalkanów, arenów: 80-90%), kwasów karboksylowych, fenoli, tioalkoholi, pochodnych
tiofenu, azotowych związków heterocyklicznych, żywic, związków metaloorganicznych. Gęstość 0,73-
0,99 g/cm3. Barwa brązowa lub czarna, rzadziej żółtobrunatna, czerwonawa i zielonkawa. Odznacza
się silnym, specyficznym zapachem. Prawdopodobnie powstała wskutek beztlenowych procesów
gnilnych ze szczątków roślin i zwierząt zachodzących pod wysokim ciśnieniem. Ropa naftowa jest
przerabiana metodami: destylacji frakcyjnej (destylacja), rafinacji, ekstrakcji selektywnymi
rozpuszczalnikami (np. glikolem dietylowym), krystalizacji i in. jak: hydrokraking, kraking czy
reforming katalityczny.
Izomery – związki o tym samym wzorze cząsteczkowym, lecz innym strukturalnym, zjawisko istnienia
różnic w budowie lub właściwościach cząsteczek o takim samym składzie atomowym.
Polimery – związki o budowie łańcuchowej, których cząsteczki zbudowane są z połączonych ze sobą
elementów, tzw. merów.
Polimeryzacja, reakcja chemiczna monomerów prowadząca do powstania polimerów. Podczas
polimeryzacji następuje rozerwanie wiązań podwójnych, potrójnych albo otwarcie pierścienia (często
heterocyklicznego). Szybkość polimeryzacji uzależniona jest od temperatury, ciśnienia, ilości i rodzaju
inicjatora lub katalizatora. W reakcji polimeryzacji można wyróżnić trzy etapy: inicjacje reakcji,
propagacje i terminacje (zakończenie).
Homopolimer – polimer utworzony z jednego typu monomerów.
Kopolimer – polimer utworzony z dwóch lub więcej różnych monomerów.
Liczba oktanowa, LO, umowny wskaźnik charakteryzujący przeciwstukowe własności paliwa
używanego do napędu silników spalinowych z zapłonem iskrowym, oznaczana za pomocą silników
wzorcowych. Liczba oktanowa danego paliwa równa jest liczbowo takiej procentowej zawartości
izooktanu (LO = 100) w mieszaninie z n-heptanem (LO = 0), przy której własności przeciwstukowe tej
mieszaniny są takie same, jak badanego paliwa.
13
8. Spektroskopia, absorpcja i emisja światła, zjawiska optyczne.
Spektroskopia – nauka o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływań
wszelkich rodzajów promieniowania materię. Oddziaływania te powodują zmianę energii
wewnętrznej ciała. Zgodnie z zasadą zachowania energii:
E –zmiana energii
h – stała Plancka
- częstotliwość
c – prędkość światła
λ – długość fali promieniowania.
Cząsteczka może przyjmować tylko ściśle określone poziomy energetyczne a ich zmiana związana jest
z pochłanianiem lub emitowaniem danego kwantu (porcji) energii. Pochłanianie przez materię
kwantu energii związane jest z absorpcją fali elektromagnetycznej. Oddanie zaabsorbowanej energii
związane jest z emisją energii na dwa sposoby.
Ilościową miarą wielkości absorpcji jest są TRANSMITANCJA i ABSORBANCJA promieniowania.
Absorpcja – proces pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego. Absorbancja to część
pochłoniętego promieniowania, a transmitancja część przepuszczonego.
Rozszczepienie światła białego – rozproszenie to jest związane z różną prędkością rozchodzenia się
promieni świetlnych o różnych barwach. Fioletowy „najszybszy”, czerwony „najwolniejszy”.
Powoduje to różny współczynnik załamania się światła i różnym kątem załamania.
Rozpraszanie światła – dzieli się na dwa rodzaje:
Sprężyste – bez zmiany częstotliwości światła,
Niesprężyste – ze zmianą częstotliwości światła.
Jest to zjawisko, w którym następuje zmiana kierunku rozchodzenia się światła. Związane jest z
naturą falową światła. Fala świetlna elektromagnetyczna, oddziałuje z materią, która zostaje
wzbudzona do drgań wypromieniowując falę świetlną rozproszoną.
Efekt Tyndalla – zjawisko rozpraszania światła przez koloid. Polega ono na przepuszczaniu przez
roztwór koloidalny wiązki światła, która wskutek uginania się promieni na cząstkach fazy
rozproszonej, staje się widoczna, jako tzw. stożek Tyndalla (światło w lesie przez drzewa).