WYKŁAD
Z CHEMII OGÓLNEJ
dr Sylwester A. Stępniak
Katedra Chemii, SGGW
Zakład Chemii Żywności
http://sylwester_stepniak.users.sggw.pl
PROGRAM WYKŁADÓW
W_1. Chemia – nauka opisująca właściwości „Rzeczywistości”
W_2. Przemiany jądrowe – reakcje jądrowe
W_3. Konfiguracja elektronowa atomu. Układ okresowy pierwiastków.
W_4. Wiązania chemiczne. Związki chemiczne.
W_5. Teoria hybrydyzacji orbitali atomowych
W_6. Teoria orbitali molekularnych
W_7. Teoria pola ligandów
W_8. Reakcje chemiczne. Równowaga reakcji chemicznej
W_9. Dysocjacja jonowa. pH roztworów
W_10. Elektrochemia: Ogniwa elektrochemiczne. Elektroliza
W_11. Przewodnictwo jonowe
W_12. Wielkości koligatywne
W_13. Kinetyka reakcji chemicznych
W_14. Termochemia. Prawo Hessa. Prawo Kirhchoffa.
W_15. Spektroskopia. Chromatografia. Ekstrakcja
"Eppur si mouve" - "A jednak się porusza"
"Mierz - co wymierne, a co niewymierne uczyń wymiernym"
GALILEO GALILEI Galileusz (1564 – 1642)
"Prawdziwa nauka zaczyna się wtedy, gdy można coś
opisać na sposób matematyczny"
Ludwig Eduard Boltzmann (1844 - 1906)
Czym zajmuje się chemia jako nauka?
CHEMIA JEST TO NAUKA, KTÓRA OPISUJE PEWNE WŁAŚCIWOŚCI
MATERII („RZECZYWISTOŚCI”)
Co rozumiemy pod określeniem
„Rzeczywistość”?
RZECZYWISTOŚĆ: {PIERWIASTKI, ZWIĄZKI CHEMICZNE, ENERGIA}
E = m·c2
Czy „Rzeczywistość” jest zbiorem ciągłym?
ENERGIA W PRZYRODZIE JEST KWANTOWANA
Każdy element materii emituje lub absorbuje tylko ściśle
określone, charakterystyczne dla niego
kwanty (porcje) energii
ε = h · ν ε = h · c/ ε = h · c · ν
ν[Hz = s-1], λ [m], ν[m-1]
h = 6,62·10-34 J·s, c = 3·108 m·s–1
Jaka jest rola CHEMII w opisie „RZECZYWISTOŚCI”?
• ANALIZA CHEMICZNA
• BADANIE WŁAŚCIWOŚCI SUBSTANCJI
• KONTROLA I STEROWANIE
PROCESAMI TECHNOLOGICZNYMI
• Ogólny zasób energii w Przyrodzie jest stały
• Energia jest kwantowana
• Każdy element lub układ elementów
dąży do tego, aby być w minimum
energetycznym
Jakie znamy metody analizy chemicznej?
I. ANALIZA JAKOŚCIOWA
II. ANALIZA ILOŚCIOWA
A. ANALIZA STECHIOMETRYCZNA
B. ANALIZA NIESTECHIOMETRYCZNA
• Ad I A.
1. Analiza kationów
2. Analiza anionów
•AAd II A.
• Analiza wagowa
• Analiza objętościowa:
-Redoksometria
-Kompleksometria
-Alkacymetria
-Argentometria
M
mn
V
Vn
_
N A
Nn
cV mrn
Objętość molowa substancji chemicznej (V)
V
Vn
_
mol
cmVHg
3
80,1455,13
61,200
d
MV Zadanie
Ile moli rtęci znajduje się w 100 cm3 Hg w warunkach
standardowych? dHg = 13,55 g/cm3.
Rozwiązanie: MHg = 200,61 g/mol
molanHg 76,680,14
100
Dla substancji gazowych, o właściwościach gazu doskonałego:
TRnVp Gdy n = 1 => V = V
p
TRV
W warunkach normalnych
(p = 1013,25 hPa, T = 0oC = 273 K):
W warunkach standardowych
(p = 1013,25 hPa, T = 25oC = 298 K):
mol
m
p
TRV
30 02239,0
101325
27331,8
mol
m
p
TRV
325 02444,0
101325
29831,8
R = 8,31 J/mol∙K
• Ad B. 1. Metody elektrochemiczne:
- Potencjometria
- Konduktometria
- Elektroforeza kapilarna
- Polarografia
2. Metody spektroskopowe:
- Spektroskopia emisyjna
- Spektroskopia absorpcyjna
3. Metody chromatograficzne:
- Chromatografia podziałowa
- Chromatografia adsorpcyjna
4. Inne:
- Refraktometria
- Nefelometria
- Wiskozymetria
γ, UV, VIS, IR, NMR
GC, TLC, HPLC
Jakie znamy chemiczne elementy
„Rzeczywistości”?
{atomy, jony, cząsteczki, elektrony, rodniki, kwanty energii (h·ν)}
NmM
A
C
C 12
12
m Cu 12
12
1
][12
12 gN
Mm
A
C
C][1212 um C
1012,012
molkgM C
Podstawowe pojęcia i prawa chemiczne:
• Mol
Do określenia liczności elementów Rzeczywistości przyjęto, jako stan
odniesienia:
Ckg12012,0
• Liczba atomów C znajdująca się w 0,012 kg 12C, to mol.
• Masa molowa (M), to masa mola elementów materii .
• Liczba Avogadro (NA):
• Atomowa jednostka masy (u)
Do określenia masy atomów przyjęto, jako stan odniesienia:
• Masa atomowa (m), to masa atomu wyrażona w atomowych jednostkach masy.
NmM
A
C
C 12
12
• Pierwiastki chemiczne : { 1X, . . . ,109X }
• Pierwiastek chemiczny : { ZA1X, Z
A2X, . . . , ZAiX }
• Izotop: {ZAX}, Nuklid : Z
AX
• Izotopy: 11H, 1
2H, 13H
• Izobary: 13H, 2
3He
• Izotony: 47Be, 3
6Li N A
Nn
• Atomowa jednostka masy (u)
• Masa atomowa (M)
• Mol
• Liczba moli (n)
• Liczba Avogadro (NA)
V
Vn
_
m Cu 12
12
1
cV mrn M
mn
Jaka jest interpretacja fizyczna liczby Avogadro (NA)?
NM
mA
C
C
12
12 um C1212
u
gN A 1
1molM g
C
11212
Metody oszacowania liczby Avogadro:
Metoda radiometryczna
Metoda elektrochemiczna
HePoRa 4
2
222
84
226
88 Nα = 1,16·1018 [g–1Ra·rok–1]
HeeHe 224
2
mHe = 7,66·10-6g
MHe = 4 [g/mol]
mM
NNMm
NN
He
He
HeA
He
He
A
He
][1006,61066,7
41016,1 123
6
18
molN A
1913 r – Milliken wyznaczył
ładunek elektronu:
qe = 1,6·10–19 [C]
eA
qF N
tIFz
Mm
Gdy z·m = M => I· t = F = 96 490 [C/mol]
][1003,6106,1
96490 123
19
molN A
Co w tych
metodach zostało
przyjęte za stan
odniesienia?
MC = 12 u
Masy molowe pierwiastków
mM
NNMm
NN
He
He
HeA
He
He
A
He
M
mn
Masa molowa 12C jako stan
odniesienia przy wyznaczaniu mas
molowych pierwiastków
MC = 12 g/mol
Jak wyznaczono masę molową He (gaz szlachetny, nieaktywny chemicznie)?
Prawo Avogadro:
N A
Nn V
Vn
_
cV mrn
2
1
2
1
V
V
n
n
Gdy p = const.
i T = const.:
xMxMxM iiM ...
2211
• Masa atomowa, masa cząsteczkowa,
1xin
nx
i
i
i
xii 100%
• Masa molowa pierwiastka (M):
• Procentowy skład izotopowy pierwiastka (i%):
• xi - ułamek molowy składu izotopowego:
• Mi - masa molowa nuklidu:
Jakie znamy rodzaje izotopów?
• Izotopy trwałe
• Izotopy promieniotwórcze:
- Występujące na Ziemi
- Syntezowane
• Pierwiastki o x1 = 1
• Pierwiastki o x1, x2,…xi < 1
• Pierwiastki o x1 = 0
Jakie pierwiastki , ze względu na ich
skład izotopowy, występują na Ziemi ?