Chemia ogólna - wykład II

filmy, animacje, rysunki

http://scholaris.pl/

http://www.youtube.com/

http://wikipedia.com/

http://wwww.blobs.org/

http://davidjohnewart.com/Chemistry/chemtheft/09.html

atomowa jednostka masy [u] to 1/12 masy atomu izotopu

węgla

6

12

C i wynosi 1,6749x10

-24

[g]

masa atomowa to masa atomu wyrażona w atomowych

jednostkach masy [u]

masa cząsteczkowa to masa cząsteczki wyrażona w

atomowych jednostkach masy [u]

Si

14

28,08

15,999

8

O

2

SiO

masa atomowa krzemu 28,08 u

masa atomowa tlenu 15,999 u

masa cząsteczkowa tlenku krzemu(IV) = 60 u

Masa atomowa, cząsteczkowa

Mol, masa molowa

masa molowa substancji (M

_X

) jest to masa jednego mola

substancji wyrażona w gramach

H

₂

SO

₄

1mol H

2

SO

4

ma masę 98 g

Masa molowa

Liczba moli, ułamek molowy

liczba moli n

M

m

n



ułamek molowy – liczba moli składnika i

i i i

n

n

x





oznacza stosunek ilości moli (atomów) substancji „i” do całkowitej ilości

moli (atomów) tworzących roztwór/mieszaninę

suma ułamków molowych (atomowych) w roztworze jest zawsze równa

jedności:

1





i i

x

Przykład: 50 g wodorotlenku potasu rozpuszczono w 160 g wody. Proszę

obliczyć ułamek molowy wody i wodorotlenku potasu w otrzymanym

roztworze.

masa atomowa: K = 39,1, H = 1,01 i O = 16

Objętość molowa

1 mol każdego gazu

zmierzony w warunkach normalnych zajmuje objętość

równą 22,4 dm

3

warunki normalne:

ciśnienie 1013,25 hPa (1 atm.) i T = 273K (O

o

_C)

warunki standardowe:

Objętość molowa, przykład

Przykład: Jaką objętość w warunkach normalnych zajmie 5 moli CO

2

?

1 mol – 22,4 dm3

5 moli – VCO2 VCO2= 5  22,4 dm3= 112 dm3

Przykład: Jaką objętość w warunkach normalnych zajmie 6 g wodoru?

Podstawowe prawa chemiczne

prawo zachowania masy i energii – suma mas substratów jest równa sumie mas produktów; jeżeli podczas reakcji następuje ubytek mas, to wydziela się energia określona wzorem Einsteina

E = m  c2  (E + m) = stały

c – prędkość światła wynosząca 2,997925 × 108_m·s-1 ∆m -zmiana masy w kg

∆E – zmiana energii w J

ht tp :/ /s ci ag a. pl / Antoine Lavoisier (1785)

prawo zachowania materii – masa spoczynkowa układu nie ulega zmianie

• uznał metale za substancje proste – pierwiastki

• udowodnił, że pierwiastkami chemicznymi są też takie gazy, jak wodór i azot oraz niemetale, jak siarka i fosfor

Podstawowe prawa chemiczne

Joseph Proust (1799)

prawo stosunków stałych (stałości składu) – stosunek mas pierwiastków lub składników związku jest zawsze jednakowy i nie zależy od sposobu utworzenia danego związku

John Dalton (1804)

prawo stosunków wielokrotnych - jeżeli dwa pierwiastki A i B tworzą ze sobą więcej niż jeden związek, to masy pierwiastka A przypadające na masę pierwiastka B mają się do siebie jak niewielkie liczby całkowite

Podstawowe prawa chemiczne

1. materia składa się z niezniszczalnych, niepodzielnych atomów, jednakowych dla danego pierwiastka 2. połączenia atomów w związkach chemicznych w najprostszych możliwych proporcjach liczbowych (1:1,

1:2, itd.)

3. atomy tego samego pierwiastka są identyczne; atomy różnych pierwiastków różnią się 4. atomy różnych pierwiastków mogą chemicznie łączyć się tworząc związki chemiczne 5. reakcje chemiczne uporządkowują atomy i nie zmieniają atomów

tlenek siarki(IV) (SO₂) tlenek siarki(VI) (SO₃)

1 atom S 2 atomy O 1 atom S 3 atomy O

1 2 1 3

32 g 2 x 16 g = 32 g 32 g 3 x 16 g = 48 g

Louis Joseph Gay-Lussac (1808)

prawo stosunków objętościowych - w reakcji między gazami objętości substratów i produktów gazowych mierzone w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia mają się do siebie jak niewielkie liczby całkowite

Podstawowe prawa chemiczne

reakcja prawo stosunków 2H2 O2 H2O 4g 32g 18g 2 16 9 wagowych 2 1 2 objętościowych

2H

₂

+ 1O

₂

= 2H

₂

O

zasada zachowania ładunku - w izolowanym układzie ciał całkowity ładunek elektryczny, czyli suma algebraiczna ładunków dodatnich i ujemnych, nie ulega zmianie

1. stopień utlenienia pierwiastka w stanie wolnym przyjęto za równy zeru

2. suma stopni utlenienia wszystkich atomów w cząsteczce związku jest równa zeru 3. suma stopni utleniania atomów wchodzących w skład jonu złożonego jest równa

ładunkowi tego jonu

4. fluor we wszystkich związkach występuje na stopniu utlenienia -I

5. wodór w zasadzie występuje na stopniu utlenienia I, wyjątki stanowią wodorki wszystkich metali oraz niektórych niemetali, na przykład krzemu, arsenu, boru, w których przyjmuje on stopień utlenienia –I

6. tlen występuje

Reguły ustalania stopni utleniania

stopień utlenienia wskazuje ile ładunków dodatnich lub ujemnych można

przypisać atomowi danego pierwiastka przy założeniu, że tworzy on z

atomami drugiego pierwiastka tylko wiązania jonowe

tlenki -II CaO

nadtlenki -I H2O2

ponadtlenki -1_/

2 KO2

zwizki dioksygenylowe +1_/

2 O2PtF6

związki oksygenylowe +II OF2

wartościowość (oznaczana cyfrą rzymską) to liczba wiązań,

za pomocą których atomy łączą się ze sobą (wiązanie

kowalencyjne) lub ładunek jonu (wiązanie jonowe)

wartościowość pierwiastka związana jest z liczbą elektronów

walencyjnych

elektrony walencyjne to elektrony najbardziej oddalone od

jądra w atomie

Podstawowe prawa chemiczne

Amadeo Avogadro (1811)

jednakowe objętości różnych gazów w jednakowej temperaturze i ciśnieniu zawierają jednakowe liczby cząsteczek

przyjęte przez chemików dopiero po referacie Stanislawo Cannizzaro na I Kongresie Chemików (1860)

w jednym molu znajduje się 6,023 · 1023_{cząstek lub atomów} (liczba Avogadro) pl .d re am st im e. co m

Podstawowe prawa chemiczne

Jacob Berzelius (1818) tablica ciężarów atomowych

Dimitrij Mendelejew (1869)

‒ klasyfikacja pierwiastków chemicznych ‒ sformułowanie prawa okresowości ‒ graficzny zapis (tablica Mendelejewa)

Dmitrij Iwanowicz Mendelejew, rosyjski chemik urodzony w Tobolsku na Syberii, odkrył w 1869 roku prawo okresowości pierwiastków chemicznych, które mówiło, że właściwości pierwiastków są periodycznie zależne od ich mas atomowych. Na tej podstawie przewidział istnienie pierwiastków jeszcze wtedy nie odkrytych, jak skand, wanad.

Odkrycie protonu

Eugen Goldstein (1886)

– odkrywca promieniowania anodowego (tzw. promieniowanie kanalikowe lub kanałowe); uważany jest za odkrywcę protonu

– tuba wypełniona gazem H₂ z perforowaną katodą - po przyłożeniu wysokiego potencjału (kilka tysięcy woltów) pomiędzy katodą i anodą obserwowane jest promieniowanie z tyłu katody. Są to cząsteczki (o masie 1840 masy elektronów) poruszające się w kierunku przeciwnym do promieniowania katodowego elektron elektron promieniowanie katodowe anoda katoda z otworami promieniowanie dodatnie

pompa próżniowacząstki gazucząstki dodatnie (protony)

thomson.iqm.unicamp.br

Odkrycie protonu

elektron zmierzający do anody zderza się z cząsteczkami gazu znajdującymi się w tubie

cząteczki gazu ulegają rozpadowi na iony dodatnie (+)

i jony ujemne (elektrony, (-))

elektrony zmierzają w kierunku anody a dodatnie jony zmierzają w kierunku katody

Wiliam Conrad Roentgen (1895)

badał przechodzenie promieni katodowych przez różne materiały. Zauważył, że ekran fosforencyjny umieszczony w pobliżu czasami świecił. Promienie, które powodowały jego świecenie nie były wrażliwe na pole magnetyczne i penetrowały materię znacznie głębiej niż promienie katodowe.

• twarde: 10 – 100 pm (przenikliwa, mało uginająca się) i miękkie: 0,1 – 10 nm

• zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy nadfioletem i promieniowaniem gamma

 promieniowanie rentgenowskie – wyhamowywanie rozpędzonych elektronów na materiale o dużej (powyżej 20) liczbie atomowej (promieniowanie hamowania),

 efektem jest powstanie promieniowania o charakterystyce ciągłej, na którym widoczne są również

piki pochodzące od promieniowania

charakterystycznego anody o widmie dyskretnym (rozpędzone elektrony wybijają elektrony z atomów anody)

 luki po wybitych elektronach na dolnych powłokach elektronowych pozostają puste do czasu, aż zapełnią je elektrony z wyższej powłoki

 elektron przechodząc z wyższego stanu emituje kwant promieniowania rentgenowskiego – następuje emisja charakterystycznego promieniowania X

bańka szklana (wysoka próżnia, 10−3_–10−7_hPa)

dwie elektrody połączone są ze źródłem wysokiego napięcia (>kilkadziesiąt tysięcy wolt) dodatni biegun połączony jest z anodą, ujemny z katodą

katoda - włókno wolframowe, które w czasie pracy lampy rozżarzone jest wskutek przepływu prądu z dodatkowego źródła żarzenia

emitowane wskutek ruchów termicznych z rozżarzonej katody elektrony przyspieszane są w polu elektrycznym panującym w przestrzeni pomiędzy anodą i katodą

w materiale anody elektrony są wyhamowywane w polu elektrycznym jąder atomów materiału stanowiącego anodę

http://www.wikipedia wysokoenergentyczne elektrony wybity elektron – promieniowanie X neutron proton elektron

dziura elektronowa _{X Z} energia [keV]

Kα Kβ W 74 59.3 67.2 Mo 42 17.5 19.6 Cu 29 8.05 8.91 Ag 47 22.2 24.9 Ga 31 9.25 10.26 In 49 24.2 27.3

Niestabilne izotopy

Niestabilne izotopy mogą rozpadać się w różny sposób. Wśród rozpadów jądrowych najważniejszymi są:

Rozpad α - charakterystyczny przeważnie dla jąder ciężkich, u których wraz ze wzrostem liczby masowej maleje energia wiązania pojedynczego nukleonu; polega na emisji z jądra cząstki α, czyli jądra helu, składającego się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Dzięki temu liczba masowa jądra zmniejsza się o 4. Strumień cząstek α jest nazywany także promieniowaniem α, które jest krótko-zasięgowe i bardzo łatwo pochłaniane przez materię. Rozpad β polega na przekształceniu znajdującego się w jądrzeneutronu w protonlub, rzadziej, protonu w neutron. W pierwszym przypadku jest emitowany elektron (β-_{) i}

antyneutrino, w drugimdodatnio naładowany pozyton (β+_{, zwany antyelektronem) i neutrino.}

Elektron lub pozyton, emitowane przez jądro, nazywane są cząstkami beta. Uwalniane promieniowanie beta jest umiarkowanie silnie pochłaniane przez materię – zatrzymać je może np. cienka aluminiowa blacha. Rozpad β zmniejsza (β+_{) lub zwiększa (β}-_{) liczbę} atomową jądra, nie zmieniając jego liczby masowej.

Rozpad γ polega na emisji przez jądro wysokoenergetycznej fali elektromagnetycznej, zwanej także fotonem bądź kwantem gamma. Zjawisko to następuje w sytuacji, gdy jądro przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu o energii niższej, podczas którego różnica w energii emitowana jest właśnie w postaci fotonu. Taki rozpad nie zmienia liczby masowej ani atomowej jądra. Towarzyszy on często rozpadom α i β, po których jądro pozostało w stanie wzbudzonym.

Henri Becquerel (1896) – promieniowanie uranu (, , )

ht tp :/ /w w w .in te rk la sa .p l/ woda żelazo drewno, aluminium kartka papieru

dodatnia elektroda (anoda)

ujemna elektroda (katoda)

gamma beta alfa ht tp :/ /w w w .b bc .c o. uk / gamma beta alfa

Joseph John Thompson (1897)

– badał promieniowanie katodowe – ujemnie naładowane cząstki (elektrony), – w polu elektrycznym i magnetycznym ulegają odchyleniom co świadczy o ich ładunku ujemnym,

– ładunek elektronu 1,6 x 10-19_[C]

– masa i ładunek nie zależą od rodzaju katody i rodzaju gazu w tubie – masa elektronu równa 1/1840 masy atomu wodoru (9,1 x 10-28_[g])

ht tp :/ /s uk ir ge nk .d vr lis ts .c om / katoda - emituje elektrony anoda napięcie dodatnio naładowana płytka kondensatora ujemnie naładowana płytka kondensatora tuba lampy

pod próżnią promieniowanie

katodowe ekran pokryty siarczkiem cynku przesunięcie elektrody generujące promieniowanie elektrody odchylające promieniowanie

„ciasta z rodzynkami" (1904) – w modelu tym Thomson założył, że każdy atom jest zbudowany z jednorodnej kuli naładowanej dodatnio, wewnątrz której znajdują się ujemnie naładowane elektrony. Za pomocą tego modelu, mającego obecnie znaczenie tylko historyczne, próbowano w sposób klasyczny wyjaśnić budowę atomu

„... atomy składają się z ujemnie naładowanych cząstek otoczonych przestrzenią dodatnio naładowaną ...”

Model atomu „ciasta z rodzynkami”

ht tp :/ /s uk ir ge nk .d vr lis ts .c om /

Modele budowy atomu Rutherforda

Ernest Rutherford (1911)

– ładunek dodatni jest zgromadzony w niewielkim a przez to bardzo gęstym jądrze gromadzącym większość masy atomu

– ośrodki, w których skupiona jest duża masa mają: • ładunek dodatni

• małą objętość w porównaniu z objętością atomów

• puste przestrzenie o dużej objętości w porównaniu z objętością cząstek α

– ujemnie naładowane elektrony okrążają jądro, podobnie jak planety okrążają Słońce (planetarna budowa atomu)

cząstki alfa przenikają przez model atomu Thomsona bez zakłóceń

niewielka część cząstek była odchylona, wskazując na mały, skoncentrowany dodatni ładunek większość cząsteczek

przechodzi przez folię prostopadle część  cząsteczek jest rozpraszanych promień  cząsteczek źródło  cząsteczek ekran do detekcji

 cząsteczek cienka folia ze złota

zjonizowane atomy He (cząstki α) mają dwa elementarne ładunki dodatnie; mogą być produktem rozpadu nietrwałych atomów

http://www.goalfinder.com/product.asp?productid=106#

Maria Skłodowska-Curie

Modele budowy atomu Bohra

‒ elektrony krążą wokół jądra po określonych orbitach

‒ energie elektronu na różnych orbitach są różne; przejście elektronu między orbitami związane jest ze zmianą energii

‒ energia elektronu w atomie jest określona (stany stacjonarne)

‒ dozwolone są tylko takie orbity, które mają moment pędu równy h, 2h, 3h, itd. ‒ elektrony poruszające się po orbitach stacjonarnych mogą być opisywane prawami

mechaniki klasycznej

ν

h

E

E

₂



₁





h – stała Plancka = 6,625 x10-34_[Js]  – częstotliwość jądro wzrost odległości od jądra elektron orbitale elektronowe n = 2 n = 1 Max Plank (1900)

‒ postulat o kwantowym charakterze promieniowania elektromagnetycznego ‒ bada emisję, adsorpcję i zjawisko fotoelektryczne (E_e~n)

‒ zakłada skwantowanie poziomów energetycznych (atom nie może stracić lub zyskać dowolnej ilości energii, emisja lub absorpcja zachodzi określonymi porcjami)

Modele materii

ABSORPCJA EMISJA elektron elektron emitowany foton o wyższej energii emitowany foton o niższej energii jądro p o zi o m y

foton absorbowany przez atom

foton absorbowany przez atom jądro

Albert Einstein (1905)

postulat o równoważności masy i energii: E = mc2

cecha obiektów kwantowych (np. fotonów, czy elektronów) polegająca na przejawianiu, w zależności od sytuacji, właściwości falowych (dyfrakcja, interferencja) lub korpuskularnych (dobrze określona lokalizacja, pęd)

ht tp s: // da rk lo nd on sk ie s. fil es .w or dp re ss .c om /

światło wykazuje dwoistą naturę, raz zachowuje się jak fala, drugi raz zachowuje się jakby było strumieniem cząsteczek – fotonów

λ - długość fali cząstki c –prędkość światła h - stała Plancka pf- pęd fotonu f f j

p

h

c

m

h

c

m

c

h























2

v

h

E

_f





łącząc postulat Planka i Einsteina przypisuje długość fali cząstkom materii posiadającym masę i prędkość

v

c







https://en.wikipedia.org/

Luis de Broglie (1925)

‒ postuluje podwójną naturę elektronu (korpuskularną i falową), analogicznie do promieniowania elektromagnetycznego

‒ z ruchem każdej cząstki elementarnej związany jest pewien ruch falowy

zasada nieoznaczoności Heisenberga (1925) – nie można jednoznacznie określić położenia i pędu cząstki wykazującej dualistyczny charakter. Dokładne określenie energii powoduje

nieoznaczoność położenia. Można określić jedynie

prawdopodobieństwo przebywania elektrony w danym

położeniu. Nie można dokładnie określić toru poruszania się elektronu.

Δx – nieokreśloność pomiaru położenia Δpx– nieokreśloność pomiaru pędu h – stała Plancka

Kwantowo mechaniczny model atomu

] [ 10 055 , 1 2 34 _{J s} h x p      



v m p  

Kwantowo mechaniczny model atomu

równanie falowe Schroedingera (1926) - pozwala określić prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w danym miejscu wokół jądra; rozwiązaniem jest funkcja zależna od czasu i współrzędnych przestrzennych

równanie falowe opisuje proces rozprzestrzeniania się fal w danym ośrodku; w układzie kartezjańskim dla izotropowego i jednorodnego ośrodka ma postać:

gdzie u = u(x, y, z, t) - funkcja współrzędnych przestrzennych oraz czasu, opisująca zaburzenie falowe

v - prędkość fal w tym ośrodku

Odkrycie neutronu

James Chadwick (1932)

odkrył pozbawiony ładunku neutron (masa atomowa pierwiastków jest zwykle większa niż to wynika z liczby protonów)

Polon (Po) (źródło promieniowania )

protony, 5.3 MeV

folia berylowa parafina

wysokoenergetyczny strumień promieniowania (neutrony)

• wysoka zdolność penetracji ( ?) ale nie jonizacji • niezaburzone pod wpływem pola magnetycznego • obojętne

• masa podobna do masy protonu

(substancja bogata w protony)

Inne cząstki elementarne

W 1947 roku - w promieniowaniu kosmicznym odkryto

nowy rodzaj cząstek - tzw. mezony (para kwark-antykwark, ładunek obojętny, spin = 0) , które są nośnikami oddziaływań jądrowych. Ilość cząstek uznawanych za elementarne ciągle wzrasta (neutrino, pozyton, itp.)

W 1968 roku – powstaje koncepcja, że protony, neutrony i mezony zbudowane są z cząstek fundamentalnych, tzw. kwarków. Znamy dziś 6 różnych kwarków. Kwarki posiadają ładunek elektryczny równy ułamkowi ładunku elementarnego. Kwarki nie mogą nigdy występować pojedynczo, lecz zawsze w grupach po dwa lub trzy.

W latach 1984-86 – teoria superstrun. Zgodnie z teorią strun kwarki nie są najmniejszymi cząstkami, lecz składają się z jeszcze mniejszych tworów mających postać maleńkich pętli drgających strun.

„Cząstki nazywane przez nas elementarnymi są to po prostu te cząstki, których struktura wewnętrzna nie jest nam znana” - W. I. Weksler

fermiony bozony

http://ukhudshanskiy.livejournal.com/

https://steemit.com/polish/@veteranz/teoria-strun-ii-nowa-koncepcja

Dalton

niewidzialna jednostka materii – atom

Thomson

Odkrycie elektronów „model ciasta z rodzynkami”

Rutherford

dodatnio naładowane jądro o masie prawie całego atomu

Bohr

orbitale, po których krążą elektrony otaczają jądro atomowe

w obecnym modelu atomu elektrony na orbitalach opisujemy poprzez energię

Układ okresowy – trendy

Promień atomowy

promień atomowy, ppm ob lic zo ny p ro m ie ń at om o w y, p pm liczba atomowa http://2012books.lardbucket.org/books/principles-of-general-chemistry-v1.0/s11-02-sizes-of-atoms-and-ions.html http://2012books.lardbucket.org/books/principles-of-general-chemistry-v1.0/s11-02-sizes-of-atoms-and-ions.html

Układ okresowy – trendy

Promień jonów

Układ okresowy – trendy

Energia jonizacji (I)

liczba atomowa, Z 1 en er gi a jo n iz ac ji, k J/ m o l okresy

Cu

Cu

e

I

1955

kJ

_mol

mol

kJ

785

I

e

Cu

Cu

2 (g) 2 (g) (g) 1 (g) (g) (g)













  

energia jonizacji [kJ/mol]_{1 energia jonizacji, kJ/mol}

http://2012books.lardbucket.org/books/principles-of-general-chemistry-v1.0/s11-02-sizes-of-atoms-and-ions.html

Układ okresowy – trendy

Powinowactwo elektronowe (P)

)

(

)

(

) ( ) ( ) (  









X

E

X

E

P

X

e

X

g g g

mol

kJ

844

P

O

e

O

mol

kJ

141

P

O

e

O

2 2 (g) (g) (g) 1 (g) (g) (g)

















   liczba atomowa, Z po w in ow ac tw o el ek tr on ow e, k J/ m o l

powinowactwo elektronowe, kJ/mol

okresy

Układ okresowy – trendy

Elektroujemność

Elektroujemność (E) wg definicji Mullikena:

2

lub

2

I

P

E

I

P

E









elektroujemność (skala Paulinga) liczba atomowe el ek tr ou je m no ść ,  http://2012books.lardbucket.org/books/principles-of-general-chemistry-v1.0/s11-02-sizes-of-atoms-and-ions.html