REAKCJE CHEMICZNE I ICH OBJAWY
Wokół nas wciąż zachodzą różne przemiany i zjawiska. Część z nich to przemiany fizyczne takie jak parowanie wody, zamarzanie, ruch przechodniów na ulicy.
| Zjawiska fizyczne są to przemiany nie wywołujące zmian właściwości substancji. |
Głównym przedmiotem zainteresowania chemików jest pewna grupa zjawisk nazywanych reakcjami chemicznymi.
| Rekcje chemiczne są to przemiany, w których z jednych substancji powstają inne, o odmiennych właściwościach. |
Reakcjom towarzyszą zwykle charakterystyczne efekty tzw. objawy reakcji. Objawami reakcji może być: intensywne spalanie, wydzielanie gazu, spalanie wbuchowe, zmiana koloru substancji, wytrącanie osadu itp.
SYMBOLE I WZORY CHEMICZNE
Chemicy przekazują sobie informacje o składzie i przemianach substancji za pomocą specjalnego kodu - symboli chemicznych jednakowych na całym świecie. Najstarsze symbole pierwiastków, związków, a nawet wykonywanych czynności, były stosowane przez alchemików i miały postać rysunków podobnych do hieroglifów. Metale oznaczano symbolami planet. W 1803 roku John Dalton zaproponował uproszczony, rysunkowy system oznaczania pierwiastków lub związków chemicznych. Jednak prawdziwy postęp w tworzeniu uniwersalnego języka chemicznego przyniosły, używane do dzisiaj, literowe symbole, wprowadzone w 1815 roku przez Jakuba Berzeliusa. Oto kilka przykładów:
Symbole literowe pozwalają też na proste określanie składu związków chemicznych. Chemicy stosują kilka rodzajów wzorów. Najprostszy z nich, tzw. wzór sumaryczny, określa rodzaj i liczbę atomów wchodzących w skład cząsteczki.
Wzory chemiczne służą nie tylko do określenia składu substancji, lecz również do opisywania przemian jednych substancji w drugie. Zapis przebiegu reakcji chemicznej jest nazywany równaniem chemicznym i składa się z trzech następujących części: lewej strony równania, strzałki kierunkowej oraz prawej strony równania. Z lewej strony równania umieszcza się wzory (lub symbole) substratów, oddzielając je od siebie znakiem plus. Z prawej strony umieszcza się wzory (lub symbole) produktów, również rozgraniczone plusem. Strzałka oddziela substraty od produktów i wskazuje kierunek przemiany:
Przykład:
Tlen + magnez -> tlenek magnezu
O2 + 2Mg -> 2 MgO
substraty produkty
WARTOŚCIOWOŚĆ PIERWIASTKÓW
Do poprawnego zapisywania wzorów i równań chemicznych niezbędna jest znajomość wartościowości pierwiastka.
| Wartościowość jest to zdolność atomu danego pierwiastka do przyłączania lub podstawiania określonej ilości atomów innych pierwiastków |
Za podstawę do oznaczania wartościowości przyjmuje się wodór, który jest zawsze jednowartościowy. Jeżeli atom pierwiastka przyłącza jeden atom wodoru uważany jest za jednowartościowy, jeżeli przyłącza dwa atomy wodoru - za dwuwartościowy itd. Wartościowość pierwiastka można oznaczać także względem innych niż wodór pierwiastków, których wartościowość jest znana. Wszystkie pierwiastki ogólnie można podzielić na dwie grupy:
- Pierwiastki o stałej wartościowości np. wodór i metale pierwszej grupy układu okresowego są zawsze jednowartościowe, tlen i metale drugiej grupy układu okresowego są dwuwartościowe, glin jest trójwartościowy.
- Pierwiastki o zmiennej wartościowości np. węgiel w tlenku węgla jest dwuwartościowy a w dwutlenku węgla jest czterowartościowy. Pierwiastki te mają określoną wartościowość maksymalną, równą z reguły numerowi grupy (w starej numeracji) układu okresowego, w której znajduje się pierwiastek.
PRAWO ZACHOWANIA MASY I PRAWO STAŁOŚCI SKŁADU
Michaił Łomonosow, teoretycznie i doświadczalnie, udowodnił podstawowe prawo rządzące przebiegiem reakcji chemicznych - prawo zachowania masy. Antoin Lavoisier, francuski chemik, uważany za twórcę współczesnej chemii, potwierdził swoimi obserwacjami prawdziwość poglądów Łomonosowa.
| Masa substancji użytych do reakcji równa się masie substancji powstających w wyniku reakcji. |
Z punktu widzenia teorii atomowo-cząsteczkowej prawo zachowania masy substancji tłumaczy się tym, że w czasie reakcji atomy nie znikają ani nie powstają z niczego, liczba ich pozostaje niezmienna przed i po reakcji. Ponieważ atomy maja stałą masę, prowadzi to do prawa zachowania masy.
Na podstawie prawa zachowania masy stało się możliwe rozwiązanie problemu składu substancji. Każda substancja, niezależnie od tego w jaki sposób jest otrzymywana, zachowuje jednakowy skład jakościowy i ilościowy. Woda np. składa się z wodoru i tlenu pozostających w stosunku 11,11% H do 88,89% O.
Francuski uczony, Joseph Proust w 1799 r. pisał: " Od jednego do drugiego bieguna Ziemi związki mają ten sam skład i jednakowe właściwości. Nie ma żadnej różnicy pomiędzy tlenkiem półkuli południowej i północnej. Malachit z Syberii ma ten sam skład co malachit z Hiszpanii. Na całym świecie istnieje jeden tylko cynober."
| Stosunek mas pierwiastków wchodzących w skład związku chemicznego jest stały i charakterystyczny dla danego związku. |
MASA ATOMU I CZĄSTECZKI
MIESZANINA NIEJEDORODNA
Wiele zjawisk świadczy o tym, że otaczająca nas materia składa się z niezwykle małych ziarenek niewidocznych nawet pod mikroskopem optycznym. Cechę tę nazywamy nieciągłością lub ziarnistością materii.
Do najważniejszych zjawisk, wskazujących na istnienie tych ziarenek, należą:
- Dyfuzja.
- Mieszanie się dwóch cieczy i towarzyszące im zwykle zmniejszenie objętości.
- Rozpuszczanie ciał stałych w cieczach.
- Zmiany stanu skupienia.
MODEL MIESZAJĄCYCH SIĘ CIECZY
Zmniejszenie objętości podczas mieszania się kulek o różnych rozmiarach jest możliwe dzięki temu, że małe kuleczki zajmują wolne przestrzenie między dużymi kulkami. Analogiczne zjawisko zachodzi przy mieszaniu się cieczy i świadczy o tym, że rozmiary ziarenek poszczególnych cieczy są różne.
Masy atomów są niezwykle małe. Masa atomu wodoru wynosi 1,673 * 10-23 g, masa atomu magnezu wynosi nieco więcej bo 4,036 * 10-23 g. Korzystanie z takich liczb przy obliczeniach jest bardzo niewygodne. Dlatego od 1961 roku za jednostkę masy atomowej przyjęto szczególną jednostkę pomiarową: 1/12 masy atomu węgla. Jednostka ta ma symbol u pochodzący od słowa unit - jednostka.
| 1/12 masy atomu węgla (unit) = 0,166 * 10-23g |
Można teraz bez trudu obliczyć masy atomowe innych pierwiastków np. magnezu:
mMg = 4,036 * 10-23g / 0,166 * 10-23g = 24,31 u
| Masa atomowa mat jest to masa atomu wyrażona w jednostkach masy atomowej (u). |
Przed wprowadzeniem jednostki węglowej korzystano z jednostek tlenowych czyli 1/16 masy atomu węgla. Jeszcze wcześniejszą jednostką była masa atomu wodoru. Zmiana obowiązujących jednostek była spowodowana znacznymi wahaniami w składzie izotopowym pierwiastków wzorcowych. Izotop węgla 12C jest znacznie wygodniejszy do wykonywania fizycznych pomiarów mas atomowych.
| Masa cząsteczkowa mcz jest to masa cząsteczki wyrażona w jednostkach masy atomowej (u). |
Masa cząsteczkowa jest równa liczbowo sumie mas atomów wchodzących w skład cząsteczki. Masa cząsteczkowa wody będzie więc równa:
MH2O = 2 * mH + mO = 2 * 1 u + 16 u =18 u
MOL, MASA I OBJĘTOŚĆ MOLOWA
| Mol jest to jednostka liczebności substancji : 1 mol = 6,023 * 1023 atomów, cząsteczek lub jonów. Wagowo -1 mol to liczba gramów odpowiadająca masie atomowej pierwiastka lub masie cząsteczkowej związku chemicznego. |
| Mol dowolnego pierwiastka lub związku w stanie gazowym w warunkach normalnych (tj. 0°C, 1013 hPa) zajmuje zawsze zbliżoną objętość równą około 22,4 dm3. Ta objętość jest nazywana objętością molową gazów. |
PRAWO AVOGADRO
Amadeusz Avogadro sformułował w 1811 r. prawo pozwalające na łatwe wykorzystywanie w eksperymentach substancji gazowych. Ponieważ gazy łatwiej odmierzać, niż ważyć, używając jednakowych objętości gazów w tych samych warunkach używamy jednakowej ilości molekuł.
| W równych objętościach różnych gazów, w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury, znajduje się ta sama liczba molekuł. |
Na podstawie prawa Avogadro określa się masy atomowe i cząsteczkowe substancji gazowych, gęstość gazów w warunkach normalnych, gęstości względne oraz dokonuje wielu obliczeń.
