H αρχή της διατήρησης της ύλης και η στοιχειομετρία των ενώσεων. Εισαγωγική Χημεία

Transcript

1 H αρχή της διατήρησης της ύλης και η στοιχειομετρία των ενώσεων Εισαγωγική Χημεία

2 Priestley:Παρασκευή Οξυγόνου, 1774 Εισαγωγική Χημεία

3 Antoine Lavoisier: Διατύπωσε τον νόμο διατήρησης της μάζας βασισμένος σε πειράματα καύσης του φωσφόρου και θείου στον αέρα απέδειξε ότι τα προϊόντα ζύγιζαν περισσότερο από τα αρχικά υλικά. Το επιπλέον βάρος προέρχοταν από τον αέρα. Επαναλαμβάνοντας τα πειράματα του Priestley, απέδειξε ότι ο αέρας αποτελείται από δύο συστατικά, το ένα από τα οποία, ενώνεται με τα μέταλλα και δίνει στάχτη. Στο μέρος αυτό, έδωσε το όνομα οξυγόνο (δημιουργός οξέος), και στο άλλο το όνομα άζωτο (απουσία ζωής). Επίσης ανακάλυψε τον εύφλεκτο αέρα του Cavendish τον οποίο ονόμασε υδρογόνο (δημιουργός νερού), και οποίος ενώνεται με το οξυγόνο με αποτέλεσμα τον σχηματισμό υγρασίας, η οποία όπως σημείωσε ο Priestley έμοιαζε με νερό. Έτσι άρχισε να σχηματίζεται ένας κατάλογος με τα χημικά στοιχεία. 3

4 Lavoisier: Ο το στοιχείο κλειδί στις καύσεις Σε κλειστά δοχεία, με προσεκτικές μετρήσεις έδειξε ότι η μάζα των αντιδρώντων είναι ίση με την μάζα των προϊόντων Νόμος διατήρησης της μάζας: Η μάζα δεν δημιουργείται ούτε και καταστρέφεται κατά τις χημικές αντιδράσεις 3.25 g Hg(NO 3 ) 2 και 3.32 g KI διαλύονται στο νερό και τα δύο διαλύματα αναμιγνύονται με αποτέλεσμα τον σχηματισμό HgI 2. Διήθηση του ιζήματος έδωσε 4.55g HgI 2 και κατόπιν ξήρανσης με εξάτμιση του νερού έμειναν 2.02 g KNO 3. Δηλαδή βλέπουμε ότι η μάζα των αντιδρώντων ( =6.57g) είναι ίση με την μάζα των προϊόντων =6.57 g Εισαγωγική Χημεία

5 Εισαγωγική Χημεία

6 Joseph Proust (France 1799) Νόμος σταθερών αναλογιών: Μια ένωση περιέχει πάντοτε στοιχεία σε καθορισμένη αναλογία κατά τη μάζα (σταθερή σύσταση).

7 Νόμος Σταθερών Αναλογιών Proust Διαφορετικά δείγματα μιας καθαρής ουσίας περιέχουν πάντοτε την ίδια αναλογία μαζών των στοιχείων από τα οποία αποτελείται Κάθε δείγμα νερού (H 2 O) περιέχει 1 μέρος υδρογόνου και 16 μέρη οξυγόνου Κάθε δείγμα CO 2 περιέχει ένα μέρος άνθρακα και 2.7 μέρη οξυγόνου (ως προς την μάζα) Τα στοιχεία προκειμένου να σχηματίσουν ενώσεις συνδέονται με ορισμένες και συγκεκριμένες αναλογίες για να σχηματίσουν ενώσεις Εισαγωγική Χημεία

8 Τα άτομα ενώνονται με αναλογίες ακεραίων αριθμών, οπότε η κατά αναλογία των μαζών τους θα είναι πάντοτε η αυτή. Παράδειγμα: H 2 O πάντοτε απαρτίζεται από 2 άτομα H και ένα άτομο O. Η αναλογία O προς το H στο νερό είναι πάντοτε 16:2 ή 8:1.

9 Η θεωρία της ύλης κατά τον Dalton ( ) Τα στοιχεία αποτελούνται από μικροσκοπικά σωματίδια τα άτομα Κάθε στοιχείο χαρακτηρίζεται από την μάζα των ατόμων του. Τα άτομα του αυτού στοιχείου έχουν την αυτή μάζα αλλά τα άτομα διαφορετικών στοιχείων χαρακτηρίζονται από διαφορετική μάζα. Dalton Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό το οποίο διακρίνει τα διάφορα στοιχεία μεταξύ τους είναι η μάζα τους μια και σύμφωνα με τον νόμο του Proust των σταθερών αναλογιών τα στοιχεία συνδέονται με σταθερές πάντοτε αναλογίες Εισαγωγική Χημεία

10 Η θεωρία του Dalton Η χημική συνένωση των στοιχείων οδηγεί στον σχηματισμό των χημικών ενώσεων, με την προϋπόθεση τα άτομα να συνδέονται με λόγους μικρών ακέραιων αριθμών. Μόνο όταν ακέραιοι αριθμοί ατόμων συνδυάζονται είναι δυνατόν διαφορετικά δείγματα μιας καθαρής ουσίας να περιέχουν την αυτή αναλογία των στοιχείων (κατά μάζα). Κλάσμα των ατόμων δεν υφίσταται κατά τις χημικές αντιδράσεις. Εισαγωγική Χημεία

11 Η θεωρία του Dalton Κατά τις χημικές αντιδράσεις λαμβάνει χώρα αναδιάταξη του τρόπου με τον οποίο είναι συνδεδεμένα τα άτομα. Αυτά τα ίδια τα άτομα παραμένουν αμετάβλητα. Ο Dalton συνειδητοποίησε ότι τα άτομα πρέπει να μην καταστρέφονται προκειμένου να ισχύει ο νόμος διατήρησης της ύλης. Αν ο αυτός αριθμός και το αυτό είδος ατόμων υπάρχει στα αντιδρόντα και στα προϊόντα τότε το σύνολο των μαζών αντιδρώντων και προϊόντων θα διατηρείται σταθερό Εισαγωγική Χημεία

12 Η θεωρία της ύλης του Dalton Η επιτυχία μιας θεωρίας δεν εξαρτάται μόνο από την ικανότητά της να ερμηνεύσει τις παρατηρήσεις και τα αποτελέσματα των πειραμάτων αλλά και να προβλέψει φαινόμενα και ευρήματα τα οποία κατά τον καιρό της διατύπωσης της θεωρίας είναι άγνωστα. Και ακριβώς εδώ έγκειται και η επιτυχία της ατομικής θεωρίας του Dalton: Προέβλεψε αυτό που έμεινε γνωστό ως νόμος των πολλαπλών αναλογιών. Εισαγωγική Χημεία

13 Νόμος πολλαπλών αναλογιών Σύμφωνα με την θεωρία του Dalton πρέπει τα άτομα να συνδέονται με λόγους μικρών ακέραιων αριθμών. Σύμφωνα με τον νόμο αυτό είναι δυνατόν τα αυτά στοιχεία να ενώνονται με διαφορετικές αναλογίες και να δίνουν διαφορετικές ενώσεις: Το Ν με το Ο ενώνονται με αναλογία 7:8 και δίνουν την ένωση ΝΟ ή με αναλογία 7:16 οπότε προκύπτει η ένωση ΝΟ 2. Η δεύτερη ένωση περιέχει διπλάσιο Ο από την πρώτη Εισαγωγική Χημεία

14 Όταν δύο και τα αυτά στοιχεία συνενώνονται για τον σχηματισμό περισσοτέρων της μιας ενώσεων: Οι λόγοι της μάζας του ενός στοιχείου στην πρώτη ένωση προς την μάζα του στην δεύτερη ένωση, (εφόσον συνδέεται με την αυτή μάζα του άλλου στοιχείου), μπορεί πάντοτε να εκφρασθούν ως λόγοι μικρών ακέραιων αριθμών ( π.χ.: 1:3 ή 2:5).

15 Ο άνθρακας αντιδρά με το Ο και σχηματίζεται CO και CO 2 Μάζα C (g) Μάζα Ο(g) Λόγος O στο CO 2 προς το O στο CO CO CO :1

16 Εφαρμογή Στις ενώσεις του άνθρακα αιθάνιο (C 2 H 6 ) και αιθένιο (C 2 H 4 ), ποιος είναι ο ελάχιστος ακέραιος αριθμός ατόμων H τα οποία αντιδρούν με τα άτομα του C ; Απάντηση: 3:2

17 Ο άνθρακας αντιδρά με οξυγόνο και σχηματίζονται δύο ενώσεις : Ένωση A: 2.41 g C, 3.22 g O. Ένωση B: 6.71 g C, 17.9 g O. Βρείτε τον μικρότερο ακέραιο λόγο του C ο οποίος αντιδρά με ίση μάζα O.

18 Μεθοδολογία 1. Εύρεση γραμμαρίων άνθρακα ανά 1 g οξυγόνου για κάθε ένωση. 2. Διαιρούμε την υψηλότερη απάντηση δια της μικρότερης. Απάντηση: 2:1

19 Ο Μόλυβδος σχηματίζει δύο ενώσεις με το Ο : Ένωση A: 2.98 g Pb, g O. Ένωση B: 9.89 g Pb, g O. Για δεδομένη μάζα οξυγόνου, ποιοι είναι οι χαμηλότεροι λόγοι ακέραιων που χαρακτηρίζουν τον σχηματισμό των δύο ενώσεων; Απάντηση: 2:1

20 Νόμος πολλαπλών αναλογιών NO: 7 g Ν ανά 8 g Ο N : O λόγος μάζας = 7 : 8 NO 2 : 7 g Ν προς 16 g Ο N : O λόγος μάζας = 7 : 16 Σύγκριση λόγων N : O στα NO και NO 2 N : O λόγος μαζών στο NO = 7 g N 2 /8 g O 2 N : O λόγος μαζών στο NO 2 = 7 g N 2 /16 g O 2 =2 Εισαγωγική Χημεία

21 Παράδειγμα Το μεθάνιο και το προπάνιο είναι συστατικά του φυσικού αερίου. Ένα δείγμα μεθανίου περιέχει 5.70 g άνθρακα και 1.90 g υδρογόνου, ενώ ένα δείγμα προπανίου περιέχει 4.47 g άνθρακα και g Η. Δείξτε ότι οι δύο ουσίες ακολουθούν τον νόμο των πολλαπλών αναλογιών Θα πρέπει να βρούμε τον λόγο μαζών για κάθε ένα από τα συστατικά και να εξετάσουμε το κατά πόσον είναι μικροί ακέραιοι αριθμοί πολλαπλάσια ο ένας του άλλου Εισαγωγική Χημεία

22 Παράδειγμα, νόμος πολλαπλών αναλογιών 3 δυαδικές ενώσεις Η με Ο: H 2 O, H 2 O 2, H 2 O 3 Όνομα %H %O Moles H σε 100 g της ουσίας Moles O σε 100g Μοριακός λόγος H/O Εμπειρικός τύπος Μοριακός τύπος Νερό 11% 89% 11 mol (11g/1gmol -1 ) 6.0% 94% 6.0 mol (6g/1 gmol -1 ) Υπεροξείδ ιο του υδρογόνου Τριοξείδιο του υδρογόνου 4.0% 96% 4.0 mol (4g/1 gmol -1 ) 5.6 mol (89g/16 gmol -1 ) 5.9 mol (94g/16 gmol -1 ) 6.0 mol (96g/16 gmol -1 ) 1.95 ~ 2/1 H 2 O H 2 O 1.01 ~ 1/1 HO H 2 O ~ 2/3 H 2 O 3 H 2 O 3 4 δυαδικές ενώσεις N και O: NO, N 2 O, NO 2, N 2 O 2 Όνομα %N %O Moles N σε 100 g ουσίας Moles O σε 100g Λόγος N/O Εμπειρικός τύπος Μοριακός τύπος Οξείδιο αζώτου Υποξείδιο του αζώτου Διοξείδιο του αζώτου Διοξείδιο του διαζώτου 47% 53% 3.4 (47g/14gmol -1 ) 64% 36% 4.6 (64g/14 gmol -1 ) 30% 70% 2.1 (30g/14 gmol -1 ) 47% 53% 3.4 (47g/14 gmol -1 ) 3.3 (53g/16 gmol -1 ) 2.3 (36g/16 gmol -1 ) 4.4 (70g/16 gmol -1 ) 3.3 (53g/16 gmol -1 ) 1.03 ~ 1/1 NO NO 2.0 ~ 2/1 N 2 O N 2 O 0.48 ~ 1/2 NO 2 NO ~ 1/1 NO N 2 O 2 22

23 Οι χημικές ενώσεις περιγράφονται από χημικούς τύπους Ένωση είναι μια ξεχωριστή ουσία που αποτελείται από άτομα δύο ή περισσοτέρων στοιχείων. Οι ενώσεις ταυτοποιούνται από τον αριθμό και το είδος κάθε ατόμου στην απλούστερη μονάδα της ένωσης. Μόρια ή ιόντα Εισαγωγική Χημεία

24 Η γραφή των χημικών τύπων των ενώσεων Κάθε στοιχείο αναπαρίσταται από το σύμβολό του. Ο αριθμός κάθε είδους ατόμων εμφανίζεται ως δείκτης κάτω δεξιά του συμβόλου του στοιχείου. Αν υπάρχει ένα μόνο στοιχείο δεν απαιτείται δείκτης. Αν υπάρχουν πολυατομικές ομάδες στο μόριο, αυτές γράφονται σε παρένθεση σε περίπτωση που οι ομάδες είναι περισσότερες της μιας. Παραδείγματα: H 2 O, NaCl, KNO 3, Mg(NO 3 ) 2 Εισαγωγική Χημεία

25 Εύρεση εμπειρικών τύπων Οι εμπειρικοί τύποι μπορούν να βρεθούν με την βοήθεια υπολογισμών από την εκατοστιαία σύσταση

26 Εύρεση Εμπειρικών Τύπων Η ένωση παρα- αμινοβενζοϊκό οξύ (ΠΑΒΟ), αποτελείται από άνθρακα (61.31%), υδρογόνο (5.14%), άζωτο (10.21%), και οξυγόνο (23.33%). Να βρείτε τον εμπειρικό τύπο του ΠΑΒΟ.

27 Εύρεση Εμπειρικών Τύπων Υποθέτουμε ότι έχουμε g ΠΑΒΟ, C: g x 1 mol g = mol C H: 5.14 g x 1 mol 1.01 g = 5.09 mol H N: g x 1 mol g = mol N O: 1 mol g x g = mol O

28 Εύρεση Εμπειρικών Τύπων Υπολογίζουμε τον λόγο των mole διαιρώντας δια του μικροτέρου αριθμού : mol C: = mol 5.09 mol H: = mol mol N: = mol mol O: = mol

29 Εύρεση Εμπειρικών Τύπων Οι αριθμοί αυτοί είναι και οι δείκτες στα άτομα του εμπειρικού τύπου: C 7 H 7 NO 2

30 Ανάλυση καύσης- στοιχειομετρικός αναλυτής Ενώσεις οι οποίες περιέχουν C, H και O αναλύονται ως προς την σύστασή τους με τη βοήθεια θαλάμου καύσης όπως στο σχήμα. C προσδιορίζεται από την ποσότητα του παραγόμενου CO 2 H προσδιορίζεται από τη μάζα του παραγόμενου H 2 O O προσδιορίζεται από την διαφορά βάρους μετά τον προσδιορισμό του C και του H

31 Νόμος διατήρησης της μάζας Η ολική μάζα των ουσιών οι οποίες εμπλέκονται σε μια χημική αντίδραση δεν μεταβάλλεται Αντιδρόν 1 + Αντιδρόν 2 προϊόνt Ολική μάζα = Ολική μάζα Οξείδιο ασβέστίου+ διοξείδιο άνθρακα Ανθρακικό ασβέστιο CaO + CO 2 CaCO g g g

32 Στοιχειομετρικοί υπολογισμοί Οι συντελεστές σε μια ισοσταθμισμένη χημική εξίσωση δίνουν τον λόγο των moles των αντιδρώντων και των προϊόντων