I HEMIJSKI ZAKONI I STRUKTURA SUPSTANCI

Transcript

1 dr Ljiljana Vojinović-Ješić I HEMIJSKI ZAKONI I STRUKTURA SUPSTANCI ZAKON STALNIH MASENIH ODNOSA (I stehiometrijski zakon, Prust, 1799) Maseni odnos elemenata u datom jedinjenju je stalan, bez obzira na način njegovog nastanka. Tako, na primer, u ugljenik(iv)-oksidu, CO 2, maseni odnos ugljenika, C, i kiseonika, O, je uvek 3:8, odnosno ugljenik(iv)-oksid sadrži 27,27 % C i 72,73 % O. Evo nekoliko primera jednačina hemijskih reakcija u kojima nastaje CO 2 : C + O 2 CO 2 CaCO 3 CaO+ CO 2 CaCO HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O ZAKON UMNOŽENIH (VIŠESTRUKIH) MASENIH ODNOSA (II stehiometrijski zakon, Dalton, 1802) Ako dva elementa grade više jedinjenja, onda različite mase jednog elementa koje jedine se sa istom masom drugog elementa, stoje među sobom u odnosu malih celih brojeva. Tako, prilikom građenja vode, H 2 O, vodonik, H, i kiseonik, O, se jedine u masenom odnosu 1:8, međutim vodonik i kiseonik se

2 Zbirka zadataka za pripremanje prijemnog ispita iz hemije mogu jediniti i u odnosu 1:16 kada nastaje vodonik-peroksid, H 2 O 2, tako da je maseni odnos vodonika i kiseonika u ovim jedinjenjima 1:2. ZAKON STALNIH ZAPREMINSKIH ODNOSA (III stehiometrijski zakon, Gej-Lisak, 1805) Zapremine gasova koji međusobno reaguju, kao i zapremine gasovitih proizvoda reakcije, stoje u odnosu malih celih brojeva pri istim uslovima temperature i pritiska. Primeri: 2H 2(g) +O 2(g) 2H 2 O (g) Dve zapremine vodonika se jedine sa jednom zapreminom kiseonika dajući dve zapremine vodene pare (odnos zapremina je 2:1:2) ili, prilikom građenja amonijaka: N 2(g) +3H 2(g) 2NH 3(g) jedna zapremina azota se jedini sa tri zapremine vodonika dajući dve zapremine amonijaka. U ovom slučaju odnos zapremina je 1:3:2. AVOGADROV ZAKON (Avogadro, 1811) Avogadro je pretpostavio da atomi gasova ne postoje kao izolovane čestice, već da su okupljeni u grupe koje se sastoje od malog broja atoma. Ove grupe Avogadro je nazvao molekulima. Molekuli gasa se u prostoru kreću kao celina i stupaju u hemijske reakcije. Na onovu hipoteze o postojanju molekula gasa Avogadro je postavio zakon stalnih zapreminskih odnosa: jednake zapremine različitih gasova pri istoj temperaturi i pritisku sadrže isti broj molekula. Na primer: 2 3H 2(g) + N 2(g) 2NH 3(g)

3 I Hemijski zakoni i struktura supstanci Tri zapremine vodonika reaguju sa jednom zapreminom azota i daju dve zapremine amonijaka. Pošto iste zapremine sadrže isti broj molekula možemo reći da tri dvoatomna molekula vodonika reaguje sa jednim dvoatomnim molekulom azota dajući dva četiriatomna molekula amonijaka. Kao što se vidi, broj molekula pre i posle reakcije ne mora da bude isti, ali broj atoma ostaje nepromenjen. STVARNE I RELATIVNE ATOMSKE I MOLEKULSKE MASE. MOL I MOLARNA ZAPREMINA Atomi su realne, veoma sitne čestice supstance koji se ne mogu dalje deliti pri hemijskoj reakciji. Stvarne (apsolutne) mase atoma su veoma male vrednosti. Na primer, masa atoma vodonika je m a (H)=1, kg, te se u praksi koriste veličine kao što su relativna atomska masa, Ar, i relativna molekulska masa, Mr. Relativna atomska masa, Ar, je neimenovani broj koji pokazuje koliko puta je prosečna masa atoma nekog elementa, ugljenikovog izotopa 12 C, (u): m a, veća od 1/12 mase atoma Relativna molekulska masa, Mr, jednaka je zbiru relativnih atomskih masa svih atoma koji ulaze u sastav molekula i pokazuje koliko puta je prosečna masa nekog molekula, m m Ar = = m C u a 1/12 12 a ( ) a m m, veća od 1/12 mase atoma ugljenikovog izotopa 12 C: m m Mr = = m C u m 1/12 12 a( ) m 1/12 mase atoma ugljenikovog izotopa 12 C je unificirana jedinica atomske mase, u, i iznosi 1, kg. 3

4 Zbirka zadataka za pripremanje prijemnog ispita iz hemije Osnovna SI jedinica za količinu supstance, n, je mol. Jedan mol je količina supstance definisane hemijske formule, koja sadrži onoliko formulskih jedinica koliko ima atoma u 12 g ugljenikovog izotopa 12 C. Količina supstance je odnos broja jedinki supstance, N, i Avogadrove konstante, N A (N A =6, mol -1 ): n = N N A [ mol] Masa Avogadrovog broja definisanih formulskih jedinica je molarna masa, M. Molarna masa se izračunava množenjem odgovarajuće relativne atomske, odnosno relativne molekulske mase mernom jedinicom g/mol: M = Ar g/mol, kada računamo molsku masu atoma, odnosno M = Mr g/mol kada računamo molsku masu molekula. Masa supstance, m, jednaka je proizvodu molarne mase i količine supstance: m= M n [g] Molarna zapremina gasa, Vm, definiše se kao odnos zapremine gasovite supstance, V, i njene količine: V Vm = dm mol n 3 [ / ] Pri normalnim uslovima (T=273,15 K i p= Pa) molarna zapremina bilo kog gasa iznosi 22,4 dm 3 /mol (Vm=22,4 dm 3 /mol). U 12 g ugljenikovog izotopa 12 C (1 mol) nalazi se 6, atoma, (6, je Avogadrov broj). 4

5 I Hemijski zakoni i struktura supstanci STRUKTURA ATOMA I NJIHOVE ELEKTRONSKE KONFIGURACIJE Svaki atom se sastoji od jezgra (nukleusa) i omotača. U jezgru se nalaze pozitivno naelektrisani protoni, p +, i čestice bez naelektrisanja neutroni, n. Oko jezgra kreću se negativno naelektrisani elektroni, e -. Atom elementa A X definisan Z je atomskim ili rednim brojem, Z, i masenim brojem, A. Atomski broj Z je broj protona u jezgru datog atoma (a on je jednak broju elektrona u datom atomu jer je atom elektroneutralan!). Maseni broj, A, zbir je broja protona i broja neutrona u jezgru datog atoma: Z = N(p + ) = N(e - ), A = N(p + ) + N(n) Atomi istog elementa koji imaju različite masene brojeve nazivaju se izotopi. Na primer, izotopi kiseonika su: O, O, O Stanje svakog elektrona u atomu definisano je kvantnim brojevima. Postoje četiri kvantna broja: Glavni kvantni broj, n, određuje broj energetskih nivoa u atomu. Za normalna (nepobuđena) stanja atoma može imati vrednosti od 1 do 7. Sporedni (azimutski) kvantni broj, l, određuje broj podnivoa, odnosno prostorni oblik orbitala (s, p, d, f), sa vrednostima od 0 do n-1. Magnetni kvantni broj, m l, određuje prostornu orijentaciju i broj orbitala (podpodnivoa) u pojedinim energetskim podnivoima. Može imati vrednosti od l do l, uključujući i nulu. 5

6 Zbirka zadataka za pripremanje prijemnog ispita iz hemije Spinski kvantni broj, m s, odnosi se na tzv. spin elektrona, tj. na njegovu rotaciju oko sopstvene ose u dva suprotna smera: desno ili levo, te može imati samo dve vrednosti: +1/2 i -1/2. Maksimalni broj elektrona u energetskom nivou je 2n 2, a u odgovarajućim podnivoima prikazan je u tabeli: Podnivo s p d f Broj elektrona Redosled popunjavanja orbitala elektronima vrši se postupno dodavanjem elektrona. Pri tome elektron prvo zaposeda stabilniju orbitalu. Ovde je zastupljen princip po kome su najstabilniji sistemi oni sa najmanjom energijom. Prilikom popunjavanja orbitala mora se poštovati Paulijev princip zabrane i Hundovo pravilo. Paulijev princip zabrane: u jednom atomu ne mogu da se nađu dva elektrona koji imaju ista sva četiri kvantna broja, ili jedna orbitala može da sadrži najviše dva elektrona suprotnog spina. Hundovo pravilo: orbitale iste energije popunjavaju se tako da se u svaku od njih smešta po jedan elektron istog spina, nakon čega dolazi do sparivanja po spinu. Redosled popunjavanja orbitala elektronima je: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s... Elektronske konfiguracije nekih atoma i njihovih jona: 6 atoma natrijuma : 11 Na: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1, natrijumovog jona: 11 Na + : 1s 2 2s 2 2p 6, atoma hlora: 17 Cl: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5, hloridnog jona: 17 Cl - : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

7 I Hemijski zakoni i struktura supstanci Prema elektronskoj konfiguraciji elementi u periodnom sistemu elemenata (PSE) su podeljeni na s-, p-, d- i f-elemente. U s-elemente, osim vodonika i helijuma, se ubrajaju elementi prve i druge grupe PSE (alkalni i zemnoalkalni metali). p-elementi počinju popunjavanje p-podnivoa i čine ih elementi od 13. do 18. grupe. Među njima najviše je nemetala, pa potom metala i metaloida. Elementi koji počinju popunjavanje d-podnivoa zovu se i prelazni metali, a čine ih elementi od 3. do 12. grupe PSE. U f-elemente, čiji atomi popunjavaju f-podnivoe, ubrajaju se lantanoidi i aktinoidi. I ovi elementi su metali. HEMIJSKA VEZA Jonska veza nastaje između atoma metala i atoma nemetala i to prelaskom elektrona sa atoma metala na atom nemetala. Atomi metala lako otpuštaju elektrone (imaju malu energiju jonizacije ), a atomi nemetala ih lako primaju (imaju veliki afinitet prema elektronu ). Pri tome nastaju joni sa elektronskom konfiguracijom odgovarajućeg plemenitog gasa koji se privlače elektrostatičkim silama. Jonska jedinjenja su na sobnoj temperaturi čvrste kristalne supstance (NaCl, KF, CaCl 2, Na 2 O, CaO...), sa visokom tačkom topljenja i ključanja, dobro se rastvaraju u vodi, a njihovi vodeni rastvori i njihovi rastopi provode električnu struju. Kovalentna veza se gradi između atoma nemetala stvaranjem zajedničkih elektronskih parova, pri čemu atomi postižu konfiguraciju najbližeg plemenitog gasa. U zavisnosti od broja elektronskih parova kovalentna veza može biti jednostruka, dvostruka ili trostruka (1, 2, ili 3 elektronska para). U molekulu Energija jonizacije je ona količina energije koju je neophodno utrošiti za udaljavanje elektrona od atoma u gasovitom stanju, pri čemu se ove čestice prevode u katjone u gasovitom stanju. Afinitet prema elektronu je sposobnost atoma da primi elektron u valentni nivo, a energija koja se pri tom oslobađa ili utroši naziva se energijom elektronskog afiniteta 7

8 Zbirka zadataka za pripremanje prijemnog ispita iz hemije vodonika, na primer, veza je jednostruka, H-H, u molekulu kiseonika dvostruka, O=O, a u molekulu azota trostruka, N N. Kovalentna veza može biti nepolarna i polarna. Veza između dva ista atoma (H 2, O 2, N 2 ) je nepolarna i u takvoj vezi zajednički elektronski parovi su simetrično raspoređeni u prostoru između atomskih jezgara. Polarna kovalentna veza nastaje između atoma različite elektronegativnosti. Atom elementa veće elektronegativnosti jače privlači vezivne elektrone zbog čega se na tom atomu javlja delimično negativno naelektrisanje (δ - ), a na manje elektronegativnom atomu delimično pozitivno naelektrisanje (δ + ). Tako, na primer, u molekulu fluorovodonika elektronski par je pomeren ka fluoru, pa se na atomu fluora javlja delimično negativno, a na atomu vodonika delimično pozitivno naelektrisanje: δ + δ H F. Jedinjenja sa kovalentnom vezom su na sobnoj temperaturi gasovi ili tečnosti, ređe čvrste supstance, sa niskim tačkama ključanja i topljenja. Nepolarna kovalentna jedinjenja se dobro rastvaraju u nepolarnim rastvaračima, a ne rastvaraju se u vodi i drugim polarnim rastvaračima. Polarna kovalentna jedinjenja se dobro rastvaraju u vodi i polarnim rastvaračima, a nerastvaraju se u nepolarnim. Vodonična veza predstavlja poseban slučaj dipol-dipol interakcija. Naime, ova veza nastaje između molekula u kojima je atom vodonika kovalentno vezan za neki jako elektronegativan atom (F, O, N). Primeri ovakve veze su HF i H 2 O. δ + δ δ + δ Vodonična veza se prikazuje isprekidanom crtom: H F H F 8

9 HEMIJSKE FORMULE I Hemijski zakoni i struktura supstanci Hemijske formule su simbolički prikazi hemijskih struktura (molekuli, joni...). Svaka hemijska formula ima: a) kvalitativno i b) kvantitativno značenje. Tako, na primer, NH 3 znači da je u pitanju amonijak u čiji sastav ulaze azot i vodonik. Ovo je kvalitativno značenje formule NH 3. Iz kvantitativnog značenja 1 molekula NH 3 možemo odrediti: 1. maseni odnos: m(nh 3 ) : m(n) : m(h) = Mr(NH 3 ) : Ar(N) : 3Ar(H) 2. odnos broja čestica: N(NH 3 ) : N(N) : N(H) = 1 : 1 : 3 3. količinski odnos: n(nh 3 ) : n(n) : n(h) = 1 : 1 : 3. Hemijske formule mogu biti: Empirijske - kao najjednostavnije moguće formule, prikazuju najmanji odnos broja atoma u molekulu (empirijska formula vodonik-peroksida je HO), Molekulske - daju stvarni odnos broja atoma u molekulu (molekulska formula vodonik-peroksida je H 2 O 2 ), Strukturne - prikazuju način povezivanja atoma u molekulu: H-O-O-H. 9

10 Zbirka zadataka za pripremanje prijemnog ispita iz hemije ZADACI: 1. Pri nastanku jednog određenog hemijskog jedinjenja elementi se jedine: a) u proizvoljnim masenim odnosima b) u stalnim masenim odnosima c) u zavisnosti od vrste jedinjenja; nekada u stalnim, nekada u proizvoljnim masenim odnosima d) u zavisnosti od načina dobijanja tog jedinjenja 2. Koji se od sledećih parova supstanci može upotrebiti za ilustraciju zakona umnoženih masenih odnosa: a) O 2 i O 3 b) NO 2 i CO 2 c) H 2 O i H 2 O 2 3. Koji od sledećih parova supstanci ilustruje zakon umnoženih masenih odnosa: a) SO 2 i H 2 SO 4 b) CO i CO 2 c) NaCl i KCl 4. U ½ mola mola CaSO 4 ugrađeno je: a) 32 g kiseonika b) 1 mol atoma kalcijuma c) atoma sumpora. (A r (Ca) = 40; A r (S) = 32; A r (O) = 16) 10

11 I Hemijski zakoni i struktura supstanci 5. Koliko ima molekula u jednoj kapi vode mase 90 mg? (N A = ) a) b) c) 1, d) U 0,5 mola molekula kiseonika ima: a) 6, molekula b) 3, molekula c) 3, molekula 7. U količini od 0,5 mola Br 2 broj molekula broma je: a) b) c) 0, Mesto elementa u periodnom sistemu elemenata određeno je: a) relativnom atomskom masom b) relativnom molekulskom masom c) atomskim brojem d) brojem neutrona u jezgru atoma 9. U jednom molu atoma elementa atomskog broja 11 i masenog broja 23 broj protona je: a) 11 b) 23 c) d)

12 Zbirka zadataka za pripremanje prijemnog ispita iz hemije Nuklid elementa 13 X ima: a) isti broj protona i neutrona b) veći broj protona od neutrona c) veći broj neutrona od protona 11. Elektronska konfiguracija atoma nekog elementa je: 1s 2 2s 2 2p 3. a) atom elementa ima 3 nesparena elektrona b) atom elementa ima 3 valentna elektrona c) element pripada trećoj periodi d) element pripada 13. (IIIA) grupi 12. Elektronska konfiguracija atoma nekog elementa je : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 a) atom elementa ima 4 valentna elektrona b) atom elementa ima 2 nesparena elektrona c) element pripada 14. (IVA) grupi PSE d) element pripada 3. periodi PSE Zaokružiti slova ispred tačnih tvrdnji. 13. Elektronska konfiguracija atoma kiseonika je: a) 1s 2 2s 2 2p 3 b) 1s 2 2s 2 2p 5 c) 1s 2 2s 2 2p 4 12

13 I Hemijski zakoni i struktura supstanci 14. Elektronska konfiguracija atoma nekog elementa je: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 a) atom elementa ima 2 nesparena elektrona b) atom elementa ima 3 valentna elektrona c) element pripada 15. (VA) grupi PSE d) element pripada 3. periodi PSE Zaokružiti slova ispred tačnih tvrdnji. 15. Elektronska struktura atoma nekog elementa je: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5, a njegovog jona 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6. To znači da je: a) jon pozitivnog naboja b) jon negativnog naboja c) prečnik jona veći od prečnika atoma d) prečnik jona manji od prečnika atoma e) broj protona u jonu i atomu je isti Zaokružiti slova ispred tačnih tvrdnji. 16. Izotopi su: a) atomi istog elementa različitog masenog broja b) atomi istog elementa koji sadrže jednak broj neutrona c) atomi različitih elemenata koji sadrže jednak broj neutrona 17. Treći energetski nivo sastoji se od: a) dve s-orbitale b) tri p-orbitale c) pet d-orbitala d) jedne s- i tri p-orbitale e) jedne s-, tri p- i pet d-orbitala. 13

14 Zbirka zadataka za pripremanje prijemnog ispita iz hemije 18. Elektronska struktura atoma nekog elementa je: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5. Koje od navedenih tvrdnji nisu tačne za dati element: a) ima atomski broj 17 b) ima 7 valentnih elektrona c) ima malu elektronegativnost d) pripada s-elementima e) nalazi se u sedmoj grupi i trećoj periodi 19. 1/ grama je masa: a) jednog mola atoma vodonika b) jednog mola molekula vodonika c) atoma vodonika d) jednog atoma vodonika e) jednog molekula vodonika f) ni jedna tvrdnja nije tačna 20. Peroksidni (O 2 2- ) jon ima: a) 20 elektrona b) 16 elektrona c) 18 elektrona (Z(O)=8) 21. Koliko najviše elektrona može da sadrži : a) drugi energetski nivo b) treći energetski nivo 14

15 22. Hemijski element čiji atomi imaju elektronsku konfiguraciju: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2 nalazi se u: I Hemijski zakoni i struktura supstanci a) 3. periodi i 4. (IVB) grupi Periodnog sistema elemenata b) 4. periodi i 12. (IIB) grupi Periodnog sistema elemenata c) 4. periodi i 4. (IVB) grupi Periodnog sistema elemenata d) 4. periodi i 14. (IVA) grupi Periodnog sistema elemenata e) 3. periodi i 12. (IIB) grupi Periodnog sistema elemenata 23. Atom hemijskog elementa koji se nalazi u trećoj periodi i 14. (IVA) grupi PSE ima elektronsku konfiguraciju: a) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 b) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 c) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 2 d) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3d U atomu hemijskog elementa čiji je atomski broj 20, elektronima su popunjeni: a) 1s, 2s, 3s, 3p i popunjava se 3d podnivo b) 1s, 2s, 2p, 3s, 3p i popunjava se 4p podnivo c) 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s podnivoe d) 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d, 4s podnivoe e) 1s, 2s, 2p 3s, 3p i popunjava se 3d podnivo 25. Najjače izražene osobine metala ima hemijski element čiji atomi imaju elektronsku konfiguraciju: a) 1s 2 2s 2 b) 1s 2 2s 2 2p 3 c) 1s 1 d) 1s 2 2s 2 2p 4 e) 1s 2 2s 2 2p 5 15

16 Zbirka zadataka za pripremanje prijemnog ispita iz hemije 26. Jonski karakter veze raste u nizu: a) H 2, HCl, KCl, KF b) HCl, KCl, KF, H 2 c) KCl, KF, H 2, HCl d) KF, H 2, HCl, KCl 27. Jonski karakter veze raste u nizu: a) Na 2 O, MgO, Al 2 O 3, P 4 O 10, SO 3 b) MgO, Al 2 O 3, Na 2 O, P 4 O 10, SO 3 c) SO 3, P 4 O 10, Al 2 O 3, MgO, Na 2 O d) SO 3, P 4 O 10, MgO, Al 2 O 3, Na 2 O 28. Niz u kojem se nalaze samo jedinjenja sa kovalentnom vezom je: a) HCl, H 2 O, NaCl, CaO b) CH 4, H 2 O, CO 2, NO c) HCl, H 2 S, CaCl 2, Na 2 O d) KCl, H 2 S, CO, H 2 O Kovalentna veza se stvara ako se elektronegativnost atoma elemenata koji se vezuju: a) u velikoj meri razlikuje b) u maloj meri razlikuje c) ne razlikuje d) elektronegativnost nema uticaja na stvaranje kovalentne veze Zaokružiti slova ispred tačnih tvrdnji. 16

17 I Hemijski zakoni i struktura supstanci 30. σ-veza nastaje: a) preklapanjem odgovarajućih atomskih orbitala duž ose koja spaja jezgra atoma učesnika veze b) potpunim prelaskom elektrona sa jednog na drugi atom c) bočnim preklapanjem p-orbitala 31. π-veza nastaje : a) preklapanjem odgovarajućih atomskih orbitala duž internuklearne ose b) potpunim prelaskom elektrona sa jednog na drugi atom c) bočnim preklapanjem p-orbitala 32. Zaokružiti slovo ispred formule koja sadrži samo kovalentnu vezu: a) Na 3 PO 4 b) NaH 2 PO 4 c) H 3 PO Zaokružiti slovo ispred simbola para hemijskih elemenata koji grade kovalentno jedinjenje: a) Na i Cl b) H i N c) K i F 34. U molekulu N 2 veza je: a) jednostruka b) dvostruka c) trostruka 17

18 Zbirka zadataka za pripremanje prijemnog ispita iz hemije 35. Molekuli vode i amonijaka su: a) planarni b) molekul H 2 O je linearan c) molekul H 2 O nije linearan, a molekul NH 3 je piramidalan d) nepolarni e) polarni 36. Sledeći niz molekula rasporediti prema porastu polarnosti veze H 2 O, CCl 4, CH 4, NH 3, NF 3, ako su poznate elektronegativnosti: H = 2,1; C = 2,5; Cl = 3,0; N = 3,0; O = 3,5; F = 4, Prikazane molekule poređati u niz prema porastu kovalentnog karaktera veze: HF, HCl, KCl, LiCl, Cl 2, ako je elektronegativnost : H= 2,1; F= 4,0; Cl= 3,0; K=: 0,8; Li= 1, Koji je red veze u molekulima: a) azota b) fosfora c) kiseonika d) hlora 39. Niz koji ilustruje povećanje polarnosti veze je : a) H-S, H-O, H-Cl; b) H-Cl, H-O, H-S; c) H-Br, H-Cl, H-F. 18