Uvod Što je kemija i što izučava kemija Znanost koja se bavi proučavanjem prirode, tj. prirodnih pojava nazivamo prirodnom znanošću. Kemija je prirodna znanost koja proučava tvari od kojih je sastavljen svemir, ispituje njihov sastav, svojstva i građu te istražuje promjene tvari. 1
Fizičke i kemijske promjene Fizičke promjene Pri fizičkim promjenama ne mijenja j se kemijski sastav tvari. Primjer: zagrijavanje platinske žice. Kemijske promjene Pri kemijskim promjenama mijenja se sastav tvari Primjer: zagrijavanje magnezijske žice 2Mg + O 2 2 MgO. Prirodni zakon Iz sličnosti većeg broja iskustvenih činjenica izvodi se zakonitost. Hipoteze i teorije Hipoteze i teorije su slikovite predodžbe ili jednadžbe kojima se nastoji tumačiti prirodne zakonitosti. 2
Kemijska znanost je toliko opširna da se tijekom svog razvitka podijelila na uža znanstvena područja (grane): anorganska kemija organska kemija fizikalna (fizička) kemija analitička kemija biokemija kemijska tehnologija itd. Većina uporabnih tvari i predmeta koji nas okružuju proizvodi su kemijske industrije. Svemir je sastavljen od materije koja je u neprestanom gibanju i postoji u dva oblika: 1. kao čestice (elementarne i složenije) i njihove agregacije, koje nazivamo tvarima; karakterizira ih fizička veličina masa 2. kao polje sila (gravitacijsko, elektromagnetsko, nuklearno); karakterizira ih fizička veličina energija. Obasuoblikačvrsto povezana međusobnom pretvorbom, a njihov odnos je matematički izražen Einsteinovom jednadžbom ekvivalencije mase i energije (Albert Einstein, 1905. g.): E = m c 2 (c = 3 10 8 m s 1 ) 3
Čiste tvari Vrste tvari Bilo koji stupanj organizacije (sređenosti) materije naziva se tvar (ili supstancija). ) Tvari se u prirodi mogu podijeliti u dvije skupine: 1. Homogene tvari 2. Heterogene tvari 4
Homogene tvari Čiste tvari Homogene smjese i otopine Kemijske elemente Kemijske spojeve Homogene tvari Homogene tvari su tvari koje su u svakom svom dijeliću jednakog sastava. Dijele se na: a) Čiste tvari homogene tvari točno određenog i stalnog kemijskog sastava i drugih karakterističnih konstantnih svojstava. Primjerice, čisto Fe: ρ =7,86gcm 3 ; t t =1535 o C; magnetično je itd. b) Homogene smjese i otopine su homogene tvari sastavljene od smjese čistih tvari (vodena otopina šećera, otopina alkohola u vodi itd.). Homogenim smjesama pripadaju i tzv. čvrste ili kristalne otopine (zlato za nakit čvrsta je otopina srebra u zlatu) i plinske smjese (zrak). 5
Heterogene tvari Sastavljene su od međusobno odijeljenih dijelova homogenih tvari (granit, mlijeko, dim, magla) heterogene smjese homogenih tvari. Primjeri: granit sastavljen je od triju homogenih tvari, tvrdih kristalića kremena, sjajnih ljuskica tinjca i bijelih kristalića glinenca magla čestice tekućine raspršene u plinu. Osnovne karakteristike svake smjese: - sastav smjese je promjenjiv - svaka tvar u smjesi zadržava svoja karakteristična fizikalna i kemijska svojstva - svojstvasmjeseoviseokoličini i o svojstvima tvari koje ju tvore - pojedine sastojke možemo odijeliti pogodnim postupcima 6
Odjeljivanje čistih tvari iz njihovih homogenih i heterogenih smjesa naziva se frakcioniranje. Postupci frakcioniranja: otapanje, filtriranje, sedimentiranje i plivanje, centrifugiranje, dekantiranje, dijaliza, flotacija, magnetsko odjeljivanje, destilacija, kondenzacija, sublimacija, ekstrakcija, frakcijska kristalizacija, frakcijsko otapanje, frakcijska difuzija, termodifuzija, kromatografija i ionska izmjena. Otapanjem se odjeljuju topljive tvari u pogodnom otapalu od neotopljenih filtriranjem, sedimentiranjem ili centrifugiranjem. Filtriranjemi se odjeljuju j suspendirane tvari (talog) od tekućine. Sedimentiranjem i plivanjem odjeljuju se tvari kod kojih je suspendirana tvar znatno specifički teža, odnosno lakša od tekućine. Uzastopni postupak sedimentiranja i odlijevanja tekućine iznad taloga naziva se dekantiranje. Centrifugiranje je sedimentiranje pod utjecajem centrifugalne sile. 7
Magnetskim odjeljivanjem odjeljuju se magnetične tvari od onih koje nisu magnetične. Destilacijom se odjeljuju j j tekuće, lakše hlapljive pj tvari iz otopine, pri čemu zaostanu teže hlapljive tvari. Sublimacija je izravan prijelaz iz čvrstog u plinovito agregacijsko stanje i obratno (npr. I 2,HgCl 2 ). Ekstrakcija se temelji na različitoj topljivosti neke tvari u dva otapala koja se ne miješaju. Svojstva čistih tvari se mogu podijeliti na fizička i kemijska. Fizička svojstva se očituju pri fizičkim promjenama i karakteristična su ako ne ovise o veličini, odnosno stanju razdijeljenja (gustoća, tvrdoća, talište i vrelište, kristalni oblik, kalavost, topljivost, električna i termička vodljivost) Boju tvari ne možemo smatrati karakterističnim fizičkim svojstvom jer ovisi o razdjeljenju (primjer: HgO; krupni kristalići crvene boje, sitni kristalići žute boje). 8
Karakteristična fizička svojstva su karakteristične konstante uz točno određene vanjske uvjete i agregacijsko stanje tvari. Mogu se podijeliti na: - intenzivna, koja su neovisna o količini tvari (talište, vrelište, gustoća itd.) - ekstenzivna, kojaoviseokoličini tvari (volumen, masa, energija itd.). Kemijska svojstva se očituju prilikom kemijskih promjena čistih tvari, tj. kada pri kemijskim ki reakcijama prelaze u neke druge tvari. Npr. željezo se otapa i reagira sa kiselinama. Vrste čistih tvari Čiste tvari dijele se na kemijske elemente i spojeve. Spoj Analiza Sinteza Elementi natrijev klorid natrij + klor Kemijski spojevi mogu se razložiti kemijskim postupcima na jednostavnije tvari, kemijske elemente. 9
Kemijski element je jednostavna čista tvar koja se ne može nikakvim fizikalnim ili kemijskim postupkom razložiti na drugu čistu tvar drugog kemijskog sastava (jednostavniju tvar). Kemijski element je skup svih istovrsnih atoma s istim brojem protona u jezgri. Elementarna tvar sadrži atome istog kemijskog elementa. Kemijski spojevi su složene čiste tvari koje se mogu kemijskim postupcima rastaviti na elementarne tvari (analiza), odnosno mogu nastati kemijskom reakcijom iz tih elementarnih tvari (sinteza). Analiza je niz fizikalnih i kemijskih postupaka rastavljanja kemijskog spoja na elementarne tvari ili postupaka kojima se želi doznati sastav različitih uzoraka (kvalitativna i kvantitativna analiza). Dobivanje novih tvari iz već poznatih naziva se sinteza. 10
Atom je najmanja čestica koja još zadržava svojstva elementa, a složene je strukture koja mu omogućujedase kemijski spaja s drugim atomima i tako izgrađuje tvari. Udruživanjem istovrsnih atoma nastaju elementarne tvari - kemijski elementi, a udruživanjem raznovrsnih atoma kemijski spojevi. Elementarne tvari dijele se na metale, nemetale i polumetale l (metaloide). t l Do danas je poznato 118 elemenata (92 nađeno u prirodi) Elementi u prirodi dolaze u spojevima s drugim elementima ili samorodni (Au, Pt, Hg, Ag, Cu, C, S, N 2 2, O 2, plemeniti plinovi). Pri sobnoj temperaturi i tlaku 11 elemenata su plinovi (H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), 2 su tekućine (Hg, Br), a svi ostali elementi su čvrste tvari. Jöns Jakob Berzelius predložio je početkom 19. stoljeća kemijske simbole elemenata prema njihovim latinskim imenima (npr. Cu, lat. cuprum). 11
F. W. Clarke - sastav Zemljine kore Zastupljenost kemijskih elemenata u zemljinoj kori, hidrosferi i atmosferi maseni udio (%) Element maseni udio (%) kisik 49,20 silicij 25,67 aluminij 7,50 željezo 4,71 kalcij 3,39 natrij 2,63 kalij 2,40 magnezij 1,93 Zakoni kemijskog spajanja po masi 1. Zakon o održanju mase 2. Zakon stalnih omjera masa 3. Zakon umnoženih omjera 4. Zakon spojnih masa 12
Zakon o održanju mase (A. L. Lavoisier, potkraj 18. st.) Nikakve promjene ne mogu se opaziti u ukupnoj masi svih tvari koje sudjeluju u nekoj kemijskoj reakciji. Zakon je potvrdio H. Landolt početkom 20. stoljeća s točnošću mjerenja 1:10 7. Za izolirani reakcijski sustav vrijedi da je ukupna masa i energija stalna zakon o održanju materije. Zakoni kemijskog spajanja po volumenu 1. Gay-Lussacov zakon spojnih volumena 2. Avogadrov zakon 13
Gay-Lussacov zakon spojnih volumena (J. L. Gay-Lussac, 1808. g.) Volumeni plinova koji međusobno reagiraju ili nastaju kemijskom reakcijom odnose se kao mali cijeli brojevi kada su mjerenja obavljena pri stalnom tlaku i temperaturi. K( ): 4H 2 O + 4e 2H 2 + 4OH A(+): 4OH O 2 + 2H 2 O+ 4e 2H 2 O 2H 2 +O 2 Iz ukupne reakcije se vidi da iz 2 mola vode elektrolizom nastaje 2 mola vodika i 1 mol kisika, što znači i da su volumeni tih plinova u odnosu 2:1 (mali cijeli brojevi). Anoda Katoda Hofmannov aparat V(H 2 ) : V(O 2 ) = 2 : 1 14
Avogadrov zakon (A. Avogadro, 1811. g.) Najmanje čestice nekog plina nisu slobodni atomi, već skupine malog broja atoma koje je Avogadro nazvao molekulama (lat. molliculus = sitan). Avogadrova hipoteza: Plinovi jednakog volumena pri istoj temperaturi i tlaku sadrže isti broj molekula. Iz Avogadrovog zakona mogu se izvući dva važna zaključka: 1. Ako plinovi istog volumena sadrže isti broj molekula, onda se mase plinova jednakog volumena odnose kao mase molekula l tih plinova, odnosno kao M r tih plinova. 2. Ako različiti plinovi istog volumena sadrže isti broj molekula, onda i obratno, isti broj molekula bilo kojeg plina zauzima u identičnim fizičkim uvjetima isti volumen. Taj volumen plina naziva se molarnim volumenom (V mo ) i pri normalnim okolnostima (temperaturi od 0 o C i tlaku od 101325 Pa) iznosi 22,4 dm 3 mol 1. 15