Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Χημείας ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΧΗΜΕΙΑ ΓΙΑ ΒΙΟΛΟΓΟΥΣ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΟΥΣ ΧΗΜ 021 Χειμερινό Εξάμηνο 2008 Κωνσταντίνος Ζεϊναλιπούρ Λευκωσία, Σεπτέμβριος 2008
ΕΙΔΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΕΣΜΩΝ Σύνδεση ατόμων στα μόρια γίνεται με χημικούς δεσμούς Είδη χημικών δεσμών Ιοντικός δεσμός μεταφορά ηλεκτρονίων έλξη Coulomb ιοντικοί κρύσταλλοι.... Α + :Β.. Α + :Β: -.. ~150-3000 kcal/mol Μη-πολωμένος ομοιοπολικός δεσμός μη πολωμένοι ~50-150 kcal/mol Χημικός δεσμός Άτομο Α + Α Α : Α Πολωμένος ομοιοπολικοί δεσμοί μοίρασμα ζεύγους ηλεκτρονίων σε διαφορετικό βαθμό εμφάνιση διπολικής ροπής Α + Β Α δ+ : Β ~100-150 kcal/mol δ- Διπολική ροπή
ΔΙΑΜΟΡΙΑΚΕΣ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ Υπάρχουν και άλλες διαμοριακές αλληλεπιδράσεις (δυνάμεις Van der Waals) μεταξύ μορίων: δυνάμεις London ή επαγόμενου διπόλου-επαγόμενου διπόλου (δυνάμεις London) 1-2 kcal/mol Α Α Α Α + δ + Αλληλεπίδραση μεταξύ μόνιμων διπόλων 2-5 kcal/mol 2 Β δ- Α δ+ : Β δ- Α δ+ : Β δ- : Α δ+ Αλληλεπίδραση μεταξύ διπόλου και επαγόμενου διπόλου 2-5 kcal/mol Α + Α δ+ : Β δ- Α δ+ : Α Β δ- Δεσμός υδρογόνου (εδώ το B είναι ηλεκτροαρνητικό στοιχείο π.χ. Ο, N, F κτλ) 5-10 kcal/mol Β + Η δ+ : Β δ- Β Η δ+ : Β δ-
ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΥΛΗΣ Οι βασικές καταστάσεις της ύλης είναι: 1. Στερεά: άμορφα (γυαλί) και κρυσταλλικά (ΝaCl) 2. Υγρά 3. Αέρια Κίνηση ατόμων σε στερεά ταλάντωση γύρω από θέσεις ισορροπίας Κίνηση ατόμων στα υγρά τα άτομα κινούνται με χαώδη τρόπο και δεν παραμένουν στις αρχικές τους θέσεις. Κίνηση ατόμων στα αέρια τα άτομα κινούνται σε ευθείες τροχιές μέχρι να συγκρουστούν με άλλο άτομο μέσα στο αέριο Η ταχύτητα κίνησης η ταλάντωσης των ατόμων εξαρτάται από την θερμοκρασία. Μεγαλύτερη Τα συνεπάγεται και μεγαλύτερη κινητική ή ενέργεια ταλάντωσης Δομή γυαλιού Κρυσταλλική δομή ΝαCl Πίεση αερίου Μόριο αερίου
ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΟΥ ΠΙΝΑΚΑ Οι πρώτες προσπάθειες έγιναν ήταν στα μέσα του 18 ου αιώνα απο τον John Newlands τοποθέτηση γνωστών χημικών στοιχείων κατα σειρά αυξησης της ατομικής τους μάζας Παρατήρηση ότι κάθε 8 o στοιχείο έιχε παρόμιες ιδιότητες (ο νόμος των οκτάδων) Ο νόμος δεν έγινε αποδεκτός αφου ήταν ανεπαρκής για χημικά στοιχεία πέρα του Ασβεστίου (Ca). Ga 1874 Μετά από 5 χρόνια ο Ρώσος χημικός Dimitri Mendeleev και ο γερμανός χημικός Lothar Meyer προτείνουν ανεξάρτητα περιοδικό πίνακα που λαμβάνει υπόψη έκτος την ατομική μάζα και την περιοδικότητα φυσικών ιδιοτήτων (σημείο τήξεως, πυκνότητα, χημικός τύπος κτλ) των στοιχείων Έγινε αποδεκτός και μάλιστα μπόρεσε να προβλέψει την ύπαρξη κάποιων χημικών στοιχείων τα οποία δεν είχαν ανακαλυφθεί ακόμα (έκα-αλουμίνιο το οποίο όταν ανακαλύφθηκε ονομάσθηκε Γάλλιο (Ga)). Περιοδικός πίνακας Mendeleev 1869
ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΠΕΡΙΟΔΙΟΥ ΠΙΝΑΚΑ Περιοδικός πίνακας ο οποίος δημοσιεύτηκε απο τον Dimitri Mendeleev το 1872 έγινε διαχωρισμός των στοιχείων σε 12 περίοδους και 8 ομάδες. Η κάθε όμάδα δημιουργούσε οξείδια και υδρίδια παρόμοιου χημικού τύπου.π.χ. Η ομάδα7 δημιουργουσε οξείδια τύπου R 2 O 7 και υδρίδια τύπου RH όπου R= ένα από τα στοιχεία της περιόδου. (Cl 2 O 7, HCl) Αυτός ο περιοδικός πίνακας μπόρεσε να προβλέψει την υπάρξει νέων χημικών στοιχειών τα οποία ανακαλύφθηκαν αργότερα.
ΣΗΜΕΡΙΝΟΣ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ Σήμερα γνωρίζουμε ότι η ταξινόμηση των στοιχειών με βάση την ατομική τους μάζα δεν είναι απόλυτα σωστή Η ταξινόμηση πρέπει να γίνεται με βάση τον ατομικό αριθμό (αριθμός πρωτονίων ή αριθμός ηλεκτρονίων). π.χ. Το Αr (39.95) έχει μεγαλύτερη ατομική μάζα απότοκ (39.10) Όμως έχει μικρότερο ατομικό αριθμό Ταξινόμηση με βάση την ατομική μάζα οδηγεί σε σφάλματα Ταξινόμηση σημερινού περιοδικού πίνακα με βάση τον ατομικό αριθμό. Αλκάνια Ατομικός αριθμός Αλκαλικές Γαίες Ατομική μάζα Μέταλλα μεταπτώσεως ΟΜΑΔΕΣ Αλογόνα Ευγενή αέρια ΠΕΡΙΟΔΟΙ Λανθανίδες Ακτινίδες Οι οριζόντιες σειρές του περιοδικού πίνακα ονομάζονται περίοδοι. Οι κατακόρυφες στήλες του περιοδικού πίνακα ονομάζονται ομάδες και καταλαμβάνονται από στοιχεία με ανάλογες χημικές και φυσικές ιδιότητες.
ΜΕΤΑΛΛΑ-ΑΜΕΤΑΛΛΑ-ΜΕΤΑΛΛΟΕΙΔΗ Τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα αναλόγως των γενικών φυσικών και χημικών τους ιδιοτήτων μπορούν να διαχωριστούν στα Μέταλλα, Αμέταλλα και Μεταλλοειδή. Αδρανή αέρια Δεξια πρός αριστερά και απο πάνω προς τα κάτω: αύξηση μεταλλικού χαρακτήρα στοιχείου δηλαδή το στοιχείο είναι πιο δραστικό μέταλλο σε χημικές αντιδράσεις Δεξια πρός αριστερά και απο πάνω προς τα κάτω: αύξηση αμέταλλου χαρακτήρα στοιχείου δηλαδή το στοιχείο είναι πιοδραστικόαμέταλλοσε χημικές αντιδράσεις
ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΛΛΩΝ-ΑΜΕΤΑΛΛΩΝ-ΜΕΤΑΛΛΟΕΙΔΩΝ Μέταλλα Αμέταλλα Μεταλλοειδή Φυσικές Ιδιότητες στερεά (εξαίρεση Ηg) μεταλλική λάμψη ελατά και όλκιμα υψηλή θερμική αγωγιμότητα υψηλή ηλεκτρικά αγώγιμα 1-3 e στην εξωτερική τους στοιβάδα σχηματίζουν μεταλλικούς δεσμούς σχηματίζουν ιοντικές ενώσεις με αμέταλλα σχηματίζουν κατιόντα στερεά, υγρά ή αέρια δεν έχουν μεταλλική λάμψη Δεν είναι ελατά/όλκιμα (εύθραυστα) χαμηλή θερμική αγωγιμότητα μη αγώγιμα (εξαίρεση Γραφίτης) Χημικές Ιδιότητες 4-8 e στην εξωτερική τους στοιβάδα σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς σχηματίζουν ιοντικές ενώσεις με μέταλλα σχηματίζουν ανιόντα στερεά δεν έχουν μεταλλική λάμψη πολύ εύθραυστα μέτρια θερμική αγωγιμότητα ημιαγωγοί σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς σχηματίζουν ιοντικές ενώσεις με μέταλλα σχηματίζουν ανιόντα Μοιάζουν πολύ
ΔΟΜΗ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΥ ΠΙΝΑΚΑ Ο περιοδικός πίνακας χωρίζεται σε 4 περιοχές αναλόγα με τα τροχιακά τα οποία βρίσκονται στη εξωτερική στοιβάδα του ατόμου. Εξωτερική στοιβάδα είναι τα μεγαλύτερα σε ενέργεια τροχιακά τα οποία φέρουν ηλεκτρόνια. Η εξωτερική στοιβάδα ηλεκτρονίων είναι και αυτή η οποία λαμβάνει μέρος σε χημικές αντιδράσεις βρίσκεται πιο μακριά από τον πυρήνα. Επίσης υπάρχει θωράκιση του φορτίου του πυρήνα από ηλεκτρόνια εσωτερικών στοιβάδων ασθενέστερος δεσμός μεταξύ πυρήνα και ηλεκτρονίων στην εξ. στοιβάδα Παρατηρήστε ότι: ο αριθμός ομάδων (στήλες) του κάθε block = ηλεκτρόνια τα οποία χωράνε στα s, p, d και f τροχιακά 2, 6, 10 και 14 ο συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων δίνεται απο την σχέση 2n 2, όπου n = κυρίως κβαντικός αριθμός.
AΤΟΜΙΚΕΣ ΑΚΤΙΝΕΣ 95% πιθανότητα να είναι το ηλεκτρόνιο σε αυτό τον χώρο σε οποιοσδήποτε δεδομένη στιγμή Σωματιδιακή πυκνότητα ηλεκτρονίου Πυκνότητα ηλεκτρονικού νέφους Η ατομική ακτίνα είναι άπειρη αφού λόγω της κυματικής φύσης των ηλεκτρονίων και σε πολύ μεγάλες αποστάσεις από τον πυρήνα υπάρχει μια έστω απειροελάχιστη πιθανότητα να βρεθεί το ηλεκτρόνιο σε μια δεδομένη στιγμή. Όμως η μεγαλύτερη πιθανότητα εύρεσης του ηλεκτρονίου είναι 1-2 Αngstroms (10-10 m) από τον πυρήνα. Έτσι στην κβαντομηχανική η ακτίνα ενός ατόμου ορίζεται βάση μίας επιφάνειας η οποία να περικλείει το 95% του ηλεκτρονικού νέφους. Στην χημεία η ατομική ακτίνα ορίζεται με βάση τις αποστάσεις των ατόμων τα οποία d(c-c) σχηματίζουν κάποιο είδος χημικού δεσμού: Α) Ομοιοπολικές ακτίνες καθορίζονται με βάση του μήκος χημικών δεσμών τα οποία σχηματίζουν τα άτομα σε ομοιοπολικές ενώσεις Έτσι για παράδειγμα η ομοιοπολική ακτίνα του άνθρακα r(c) μπορεί να υπολογιστεί από το μήκος δεσμού d(c-c) στο διαμάντι r(c) = d(c-c)/2. Β) Van der Waals ακτίνες καθορίζονται με βάση του μήκος δεσμών Van der Waals τα οποία σχηματίζουν τα άτομα σε σύμπλοκα Van der Waals Έτσι για παράδειγμα η VdW ακτίνα του άνθρακα r(c) μπορεί να υπολογιστεί από την απόσταση μεταξύ δυο επιφανειών του γραφίτη οι οποίες βρίσκονται σε επαφή r(c) = d(c-c)/2.
ΔΡΑΣΤΙΚΟ ΠΥΡΗΝΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ Επίδραση φορτίου του πυρήνα Μικρότερη έλξη πυρήνα ηλεκτρονίου το ηλεκτρόνιο μπορεί να αφαιρεθεί πιο εύκολα Μεγαλύτερη έλξη πυρήνα ηλεκτρονίου το ηλεκτρόνιο δεν αφαιρείται εύκολα Επίδραση Δραστικού πυρηνικού φορτίου Μικρότερη έλξη πυρήνα ηλεκτρονίου στην εξωτερική στοιβάδα ηλεκτρική θωράκιση φορτίου από εσωτερικά ηλεκτρόνια το ηλεκτρόνιο μπορεί να αφαιρεθεί πιο εύκολα Μεγαλύτερη έλξη πυρήνα ηλεκτρονίου το ηλεκτρόνιο δεν αφαιρείται εύκολα
ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΑΤΟΜΩΝ Οι μαγνητικές ιδιότητες μιας ουσίας μπορούν να δώσουν ορισμένες πληροφορίες γύρω από την διάταξη των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο (ή μόριο). Παρόλο που ένα ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο συμπεριφέρεται σαν ένας μικρός μαγνήτης, οι μαγνητικές έλξεις από δύο ηλεκτρόνια που έχουν αντίθετα spin αλληλοαναιρούνται Άτομο με μόνο διπλά κατειλημμένα τροχιακά δεν εμφανίζει καθαρό μαγνητισμό. Γιαναυπάρξουνμαγνητικές ιδιότητες τότε το άτομο (η μόριο) πρέπει να έχει ασύζευκτα ηλεκτρόνια, δηλαδή περίσσεια από το ένα είδος spin. m s = -1/2 Μαγνητικό πεδίο m s = 1/2 Δέσμη ατόμων H ανακάλυψη ότι τα άτομα έχουν spin έγινε από τα πειράματα του Stern και Gerlach
ΔΙΑΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ- ΠΑΡΑΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ Διαμαγνητική ουσία δεν έλκεται απο μαγητικό πεδίο Παραμαγνητική ουσία έλκεται από μαγνητικό πεδίο Παραμαγνητική ουσία είναι μια ουσία η οποία έλκεται ασθενώς από ένα μαγνητικό πεδίο και η έλξη αυτή είναι γενικά το αποτέλεσμα ύπαρξης ασύζευκτων ηλεκτρονίων. π.χ. Ο ατμός Νa έχει ηλεκτρονική δομή [Νe]3s 1 έχει ένα μονήρες ηλεκτρόνιο παραμαγνητικές ιδιότητες Διαμαγνητική ουσία είναι μια ουσία η οποία δεν έλκεται, ή και απωθείται ελαφρά από ένα μαγνητικό πεδίο. π.χ. Ο ατμόςηg έχει ηλεκτρονική δομή [Xe]3f 14 5d 10 6s 2 δεν έχει ασύζευκτα ηλεκτρόνια διαμαγνητικές ιδιότητες
ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟΥ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 44-53, 56-57, 60, 62-64, 66-76, 78-84, 86, 88, 90-92, 95-97, 101-104, 107-117, 125 Το σετ ασκήσεων μαζί με τις λύσεις για το μάθημα μπορείτε να το «κατεβάσετε» από την ιστοσελίδα του μαθήματος: http://www.ucy.ac.cy/~zeinalip/courses/chem021/index.html
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΔΙΑΦΑΝΕΙΩΝ 1. Γενική Χημεία, Darell D. Ebbin and Steven D. Gammon, 6 η έκδοση, Μεταφρασμένο στα Ελληνικά από τον Καθηγητή Νικόλαο Κλούρα, Εκδόσεις Τραυλός, 1999. 2. Εφαρμοσμένη Ανόργανη Χημεία, Στυλιανός Λιοδάκης, Επιστημονικές εκδόσεις Παρισιανού Α.Ε., 2003. 3. Αρχές Χημείας, Νικόλαου Δ. Χατζηλιάδη, 1992, Μακεδονικές εκδόσεις, Εκδόσεις ΙΩΝ,1992. 4. Chemistry, The Molecular Nature of Matter and Change, Martin S. Silberberg, 3 rd edition, Mc Graw Hill, 2003. 5. General Chemistry, The Essential Concepts, Raymond Chang, Annotated Instructor s Edition, 4 th edition, Mc Graw Hill, 2006. 6. Introductory Chemistry, Steve Russo and Mike Silver, 3 rd edition, Pearson, 2007. 7. General, Organic and Biological Chemistry, Structures of Life, Karen C. Timberlake, Platinum edition, Pearson, 2004. 8. Chemistry, Matter and Its Changes, James E. Brady and Fred Senese, 4 th edition, Wiley, 2004. 9. The Practice of Chemistry, Donald J. Wink, Sharon Fetzer-Gislason, Sheila D. McNicholas, W.H. Freeman and Company, 2004. 10. Chemistry in your Life, Colin Baird, 2 nd edition, W.H. Freeman and Company, 2006. 11. Physical Chemistry for the Life Sciences, Peter Atkins and Julio de Paula, Oxford University Press and W.H. Freeman and Company, 2006. 12. General Chemistry, Linus Pauling, Dover Publications Inc., 1970.