ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΧΗΜΕΙΑ Κωνσταντίνος Κορδάτος Αναπληρωτής Καθηγητής
Βαθμολογία Ο τελικός βαθμός του μαθήματος προκύπτει από την γραπτή εξέταση στη θεωρία και τον εργαστηριακό βαθμό, Απαραίτητη προϋπόθεση: προβιβάσιμος βαθμός σε γραπτό και εργαστήριο Τελικός Βαθμός: 0.5 x (Βαθμός Γραπτού) + 0.5 x (Βαθμός Εργαστηρίου)
Χημεία Η επιστήμη που ασχολείται με την ύλη και εξετάζει τη δομή, τη σύσταση, τις μορφές και τις μεταβολές που παθαίνει. Ο κόσμος και το σύμπαν γενικότερα αποτελείται από ένα τεράστιο πλήθος υλικών σωμάτων. Στόχος της Χημείας είναι να δείξει ότι το πλήθος των υλικών αυτών σωμάτων προκύπτει από τη συνένωση ενός μικρού, σχετικά, αριθμού βασικών συστατικών, τα χημικά στοιχεία. Όπως στην Ελληνική γλώσσα από 24 γράμματα «παράγεται» πλήθος λέξεων έτσι και στη Χημεία από 90 περίπου στοιχεία παράγεται το πλήθος των υλικών σωμάτων.
Τα χημικά στοιχεία
Ανόργανη Χημεία Αποτελεί τον κλάδο της χημείας που μελετά όλα τα χημικά στοιχεία καθώς και τις ενώσεις τους με μόνη εξαίρεση τις οργανικές ενώσεις δηλαδή τις ενώσεις του άνθρακα Η πειραματική διερεύνηση και η θεωρητική ερμηνεία των ιδιοτήτων και των αντιδράσεων όλων των στοιχείων και όλων των ενώσεων τους εκτός από τους υδρογονάνθρακες και τα παράγωγά τους
Σύσταση της ύλης Η ύλη αποτελείται από απειροελάχιστα σωματίδια (δομικά σωματίδια) που είναι: τα άτομα, τα μόρια και τα ιόντα. Άτομο: το πιο μικρό και ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο που χαρακτηρίζει ένα χημικό στοιχείο. Το άτομο αποτελείται από i) τον πυρήνα που περιέχει πρωτόνια και νετρόνια και ii) τα ηλεκτρόνια που κινούνται γύρω από τον πυρήνα. μέχρι 35 διαφορετικά υποατομικά σωματίδια, ασταθή (μεσόνια, ποζιτρόνια, νετρίνο, quark κλπ)
Μόριο: το δομικό σωματίδιο που συγκροτείται από δύο ή περισσότερα άτομα ενωμένα μεταξύ τους, ίδια (μόριο χημικού στοιχείου) ή διαφορετικά (μόριο χημικής ένωσης). Ιόν: ηλεκτρικά φορτισμένο άτομο (μονοατομικό ιόν, π.χ. Η +, Ca 2+, Cl - ) ή συγκρότημα ατόμων (πολυατομικό ιόν, π.χ. NΗ 4+, NO 3-, CO 3 2- ). Από ιόντα αποτελούνται ορισμένες ενώσεις που ονομάζονται ιοντικές ενώσεις, π.χ. Na + Cl -, Ca 2+ O 2-
Σύσταση της ύλης ως προς τα συστατικά της
Χημική ένωση: η ουσία που αποτελείται από δύο ή περισσότερα είδη ατόμων, π.χ. H 2 O, NH 3 κτλ. Χημικό στοιχείο: η ουσία που αποτελείται από ένα είδος ατόμων. Ατομικότητα στοιχείου: ο αριθμός των ατόμων που περιέχει μόριο του στοιχείου. Διατομικά στοιχεία : O 2, H 2, N 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2. το Τετρατομικά στοιχεία: P 4, As 4
Μίγμα: ένα υλικό το οποίο αποτελείται από δύο ή περισσότερες χημικές ουσίες, οι οποίες συνυπάρχουν χωρίς να αντιδρούν μεταξύ τους. Ετερογενή: τα μίγματα που δεν έχουν την ίδια σύσταση σε όλη τη μάζα τους. Ομογενή: τα μίγματα που έχουν την ίδια σύσταση σε όλη τη μάζα τους.
Διάλυμα: ονομάζεται κάθε ομογενές μίγμα. Ένα διάλυμα αποτελείται από τη διαλυμένη ουσία και από τον διαλύτη. Τα διαλύματα διακρίνονται σε: 1. υδατικά: ο διαλύτης είναι το νερό 2. μη υδατικά: ο διαλύτης δεν είναι το νερό (π.χ. ακετόνη κτλ.) 3. μοριακά: η διαλυμένη ουσία είναι με μορφή μορίων (ζάχαρη) 4. ιοντικά: η διαλυμένη ουσία είναι με μορφή ιόντων (Na + Cl - ) 5. αραιά: μικρή ποσότητα δ. ουσίας σε σχέση με το διαλύτη 6. πυκνά: μεγάλη ποσότητα δ. ουσίας σε σχέση με το διαλύτη 7. κορεσμένα: μέγιστη δυνατή ποσότητα δ. ουσίας σε ορισμένες συνθήκες 8. ακόρεστα: μπορεί να διαλυθεί και άλλη ποσότητα δ. ουσίας σε ορισμένες συνθήκες 9. υγρά: π.χ. δείγμα θαλασσινού νερού (νερό, αλάτι κτλ.) 10. αέρια: π.χ. δείγμα αέρα (Ν 2, Ο 2 κτλ) 11. στερεά: π.χ. Κράμα μετάλλων (μπρούτζος: Cu-Sn)
Διαλυτότητα: μιας ουσίας σε κάποιο διαλύτη ονομάζεται το μέγεθος που εκφράζει τη μέγιστη ποσότητα της ουσίας που μπορεί να διαλυθεί σε ορισμένη ποσότητα διαλύτη, κάτω από ορισμένες συνθήκες.
Γνωρίσματα της ύλης Μάζα: το μέτρο της αδράνειας (της αντίστασης σε κάθε αίτιο που τείνει να μεταβάλει την κινητικότητά της) ενός σώματος και εκφράζει την ποσότητα της ύλης που έχει ένα σώμα. Οι συνηθέστερες μονάδες μάζας: 1 kg = 1000 g 1 g = 0,001 kg, χιλιόγραμμο (kg) στο S.I., γραμμάριο (g), χιλιοστόγραμμο (mg), μικρογραμμάριο (μg) 1 g = 1000 mg 1 mg = 0,001 g, 1 μg = 10-6 g Η μάζα ενός σώματος μετριέται με τους ηλεκτρονικούς ζυγούς. Ακρίβεια ενός ζυγού είναι η μικρότερη ποσότητα (g) που μπορεί να μετρηθεί από τον ζυγό.
Όγκος: ο χώρος που καταλαμβάνει ένα σώμα. Οι συνηθέστερες μονάδες όγκου: 1 m 3 = 1000 dm 3 = 1000L, κυβικό μέτρο (m 3 ) στο S.I., κυβικό δεκατόμετρο (dm 3 ), ή λίτρο (L) κυβικό εκατοστόμετρο (cm 3 ), ή χιλιoστόλιτρο (ml) 1 L = 1 dm 3 = 1000 ml = 1000 cm 3 1 ml = 0,001 L Ο όγκος ενός υγρού μετρείται απευθείας με τον ογκομετρικό κύλινδρο, ή το σιφώνιο ή την προχοΐδα. Ο όγκος ενός στερεού μετρείται βυθίζοντας το στερεό σε ορισμένο όγκο νερού, που βρίσκεται σε ογκομετρικό κύλινδρο, και από την αύξηση της στάθμης του νερού υπολογίζουμε τον όγκο του στερεού. Πυκνότητα (ρ): το πηλίκο της μάζας ενός σώματος διά του όγκου που καταλαμβάνει, σε ορισμένες συνθήκες, ρ = m / V συνηθέστερες μονάδες πυκνότητας: kg/m 3 στο S.I., g/l, g/ml.
Περιεκτικότητα: ενός διαλύματος ονομάζεται το μέγεθος που δείχνει την ποσότητα της διαλυμένης ουσίας η οποία περιέχεται σε ορισμένη ποσότητα διαλύματος. Περιεκτικότητα % κατά βάρος (%w/w): δείχνει πόσα γραμμάρια διαλυμένης ουσίας περιέχονται σε 100 g διαλύματος. Περιεκτικότητα % κατ όγκο (%v/v): δείχνει πόσα ml διαλυμένης ουσίας περιέχονται σε 100 ml διαλύματος. Περιεκτικότητα % βάρος κατ όγκο (%w/v): δείχνει πόσα γραμμάρια διαλυμένης ουσίας περιέχονται σε 100 ml διαλύματος. %w/v = %w/w x ρ
Τι σημαίνει περιεκτικότητα αμμωνίας 25%; Όταν η περιεκτικότητα εκφράζεται επί τοις εκατό, θα πρέπει να καθορίζεται αν αυτή είναι %w/w, %v/v ή %w/v Όταν αυτό δε δίνεται, θεωρούμε ότι πρόκειται για: περιεκτικότητα %w/v, αν η διαλυμένη ουσία είναι στερεή περιεκτικότητα %v/v, αν η διαλυμένη ουσία είναι υγρή περιεκτικότητα %w/w, αν η διαλυμένη ουσία είναι αέρια οπότε NH 3 (aq) 25% σημαίνει...
Τρόποι έκφρασης της συγκέντρωσης Molarity ή γραμμομοριακή σε όγκο συγκέντρωση (Μ) Molality ή γραμμομοριακή σε βάρος συγκέντρωση (m) Normality ή κανονικότητα (Ν) Γραμμομοριακό κλάσμα (x) Μέρη ανά εκατομμύριο (C ppm ) Μέρη στο δισεκατομμύριο (C ppb )
Ιστορική Αναδρομή Η ιδέα του ατόμου αναπτύχιηκε από τον Δημόκριτο το 400 π.χ. Η ύλη αποτελείται από άφθαρτα, αναλλοίωτα και αδιαίρετα σωματίδια, τα άτομα Εισήγαγε τον όρο άτομο από το «άτμητα» Αν κόψουμε την ύλη σε συνεχώς μικρότερα κομμάτια θα καταλήξουμε σε πολύ μικρά κομμάτια που δε θα κόβονται άλλο Η θεωρία του είχε απορριφθεί την εποχή εκείνη Η αποδεχτή θεωρία ήταν ότι η ύλη αποτελείται από 4 βασικά στοιχεία: αέρα, νερό, φωτιά και γη 20 αιώνες μετά (το 1803) ο Άγγλος φυσικός Dalton διατύπωσε την ατομική θεωρία
Ατομική Θεωρία του Dalton (1803) Η ύλη αποτελείται από μικροσκοπικά σωματίδια, τα άτομα. Τα άτομα είναι συμπαγή και αδιαίρετα Στοιχείο είναι ένα υλικό σώμα που προέρχεται από συνένωση όμοιων ατόμων Ένωση είναι η μορφή της ύλης που απαρτίζεται από δύο ή περισσότερα άτομα ενωμένα μεταξύ τους με χημικό τρόπο και σε σταθερή αναλογία. Έτσι π.χ. το Η 2 Ο είναι μία ένωση των ατόμων υδρογόνου και οξυγόνου σε σταθερή αναλογία 2 προς 1 Χημική αντίδραση είναι η αναδιάταξη των ατόμων που οδηγεί στον σχηματισμό νέων ενώσεων
Ατομική Θεωρία του Dalton Παρόλο που η θεωρία αυτή αποτελεί το θεμέλιο λίθο στην ανάπτυξη της χημείας, μεταγενέστερες πειραματικές μελέτες απέδειξαν ότι τα άτομα δεν είναι ούτε συμπαγή, ούτε αδιαίρετα, αλλά αποτελούνται από υποατομικά σωματίδια τα οποία διακρίνονται σε ηλεκτρόνια (e), πρωτόνια (p) και νετρόνια (n).
Το ηλεκτρόνιο Το 1897 ο Άγγλος φυσικός Thomson ανακάλυψε ότι η εφαρμογή υψηλού δυναμικού σε σωλήνα υψηλού κενού που περιέχει δύο ηλεκτρόδια προκαλεί ηλεκτρικές εκκενώσεις μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων και εκπέμπεται ένα πράσινο φως (καθοδικές ακτίνες) από την κάθοδο. Αυτές οι καθοδικές ακτίνες, αποτελούμενες από στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία ο Thomson ονόμασε ηλεκτρόνια, κινούνται προς την άνοδο.
Το ηλεκτρόνιο Ο Thomson κάνοντας μία σειρά τέτοιων πειραμάτων διερεύνησε τη φύση των ηλεκτρονίων και προσδιόρισε το λόγο φορτίου προς μάζα του ηλεκτρονίου e/m (1,75882 10 8 C g -1 ). Το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου είναι ίσο με τη μονάδα του στοιχειώδες αρνητικού φορτίου, 1,60218 10 19 C, και η μάζα του με 9,10940 10-28 g.
Το πρωτόνιο Το 1886 ο Γερμανός Goldstein ανακάλυψε στους σωλήνες των καθοδικών ακτίνων την ύπαρξη δέσμης θετικά φορτισμένων σωματιδίων που ονόμασε θετικές ακτίνες. Η θετική αυτή δέσμη σωματιδίων κινείται ευθύγραμμα από την άνοδο προς την κάθοδο (αντίθετα δηλαδή προς τις καθοδικές ακτίνες) και εκτρέπεται επίσης αντίθετα από τις καθοδικές ακτίνες από ένα ηλεκτρικό πεδίο.
Το πρωτόνιο Όταν στους σωλήνες των καθοδικών ακτίνων υπήρχε μερική πίεση αέριου υδρογόνου τότε οι θετικές ακτίνες που δημιουργούνταν αποτελούνταν από πρωτόνια (Η + ). Το πρωτόνιο δηλαδή είναι αυτό που απομένει από το άτομο του υδρογόνου αφού απομακρυνθεί το μοναδικό του ηλεκτρόνιο. Με ανάλογα πειράματα που έγιναν για το ηλεκτρόνιο προσδιορίστηκε ο λόγος φορτίου προς μάζα του πρωτονίου e/m (9,7591 104 C g -1 ). Το ηλεκτρικό φορτίο του πρωτονίου είναι ίσο με τη μονάδα του στοιχειώδες θετικού φορτίου, 1,60218 10 19 C, και η μάζα του με 1,6726 10-24 g. Η μάζα του πρωτονίου είναι σχεδόν 1837 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου.
Η μάζα του νετρονίου, που προσδιορίστηκε με βάση την παραπάνω αντίδραση των σωματιδίων της αντίδρασης, είναι ίση με 1,6750 10-24 g. Το νετρόνιο Η ανακάλυψη του νετρονίου έγινε πολύ αργότερα, το 1932 από τον Άγγλο Chadwick λόγω της ηλεκτρικής ουδετερότητας του σωματιδίου αυτού, πράγμα που καθιστούσε δύσκολη την ταυτοποίησή του. Κατά το βομβαρδισμό ορισμένων ελαφριών στοιχείων, όπως του βυρηλλίου (Be), με ακτίνες α (πυρήνες Ηλίου), εκπέμπεται μία πολύ ισχυρή και διεισδυτική ακτινοβολία, η οποία αποτελείται από ουδέτερα σωματίδια, τα νετρόνια, με μάζα ίση περίπου αυτής των πρωτονίων, τα οποία αποτελούν προϊόντα της ακόλουθης πυρηνικής αντίδρασης.
Θεωρίες περί ατομικών προτύπων Από την στιγμή που ταυτοποιήθηκε η ύπαρξη αυτών των υποατομικών σωματιδίων (ηλεκτρόνια και πρωτόνια) άρχισαν να διατυπώνονται διάφορες θεωρίες σχετικά με το πως αυτά τα σωματίδια συμμετέχουν στη δημιουργία του ατόμου. Thomson (1898) Rutherford (1911)
Ατομική μοντέλο του Thomson (1898) Το άτομο αποτελείται από θετικά και αρνητικά σωματίδια. Το θετικό φορτίο είναι ομοιόμορφα συγκεντρωμένο πάνω στην επιφάνεια μίας σφαίρας, μέσα στην οποία κινούνται τα ηλεκτρόνια ατομικό μοντέλο σταφιδόψωμου
Ατομική Θεωρία του Rutherford (1911) Ο Νέοζηλανδός φυσικός Rutherford διεξήγαγε πειράματα βομβαρδισμού χρυσού με ακτίνες α και παρατήρησε την σκέδαση των σωματίων α πάνω σε μία φθορίζουσα οθόνη. Τα πιο πολλά από τα σωμάτια α περνούσαν μέσα από το φύλλο του χρυσού ανεπηρέαστα (περίπου 99.9%) 1 στα 1000 απέκλινε σημαντικά της ευθύγραμμης πορείας. Ένας πολύ μικρότερος αριθμός εκτρεπόταν σχεδόν προς τα πίσω. Πείραμα των Geiger-Marsden
Ατομική Θεωρία του Rutherford (1911) Η σκέδαση των σωματίων α οφείλεται στον θετικά φορτισμένο πυρήνα του ατόμου του χρυσού, που είναι στο κέντρο του ατόμου
Ατομικό πρότυπο Rutherford Πλανητικό Σύστημα Ο πυρήνας, στον οποίο είναι συγκεντρωμένη όλη σχεδόν η μάζα και το θετικό φορτίο του ατόμου, καταλαμβάνει τη θέση του ήλιου Τα ηλεκτρόνια κατέχουν τη θέση των πλανητών και κινούνται σε τυχαίες κυκλικές τροχιές.
Ατομικό πρότυπο Rutherford Πλανητικό Σύστημα Μειονεκτήματα Τα ηλεκτρόνια κινούμενα με επιταχυνόμενη κίνηση θα έπρεπε (Maxwell) να εκπέμπουν συνέχεια ενέργεια με μορφή ακτινοβολίας και έτσι διαγράφοντας ελικοειδή τροχιά τελικά να προσπίπτουν στον πυρήνα.
Ατομικό πρότυπο Rutherford Πλανητικό Σύστημα Μειονεκτήματα Η συνεχόμενη μείωση της ενέργειας των ηλεκτρονίων θα είχε ως συνέπεια τη συνεχή μείωση της συχνότητας της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας με συνέπεια τα φάσματα των ατόμων να είναι συνεχή κάτι το οποίο δεν παρατηρείται. Τα φάσματα εκπομπής των ατόμων είναι γραμμικά.
Ατομικό πρότυπο του Bohr (1913) πρώτη συνθήκη του Bohr (μηχανική συνθήκη) τα ηλεκτρόνια κινούνται σε ορισμένες μόνο κυκλικές τροχιές, οι οποίες έχουν καθορισμένες ενέργειες δηλαδή είναι κβαντισμένες ενεργειακά. Η στροφορμή των ηλεκτρονίων είναι ακέραια πολλαπλάσια του h/2π σύμφωνα με τη συνθήκη: m u r = n h/2π Η ολική ενέργεια του ηλεκτρονίου (άθροισμα κινητικής και δυναμικής ενέργειας) στο άτομο του υδρογόνου δίνεται από τη σχέση: Ε n = (- 2,18 10-18 /n 2 ) J
Ατομικό πρότυπο του Bohr (1913) Δεύτερη συνθήκη του Bohr (οπτική συνθήκη) τα ηλεκτρόνια (σε κάθε καθορισμένη τροχιά) έχουν καθορισμένη ενέργεια και κατά τη κίνησή τους δεν εκπέμπουν ακτινοβολία. Ακτινοβολία εκπέμπεται από το άτομο μόνο όταν ένα ηλεκτρόνιο του μεταπηδήσει από μία τροχιά ορισμένης ενέργειας (Ε αρχ ) σε μία άλλη τροχιά μικρότερης ενέργειας (Ε τελ ). Η συχνότητα της ακτινοβολίας που εκπέμπεται κατά την διάρκεια αυτής της μεταπήδησης του ηλεκτρονίου δίνεται από τη ακόλουθη σχέση:
Μειονεκτήματα Ατομικό πρότυπο του Bohr (1913) Μπορεί να εξήγησε πλήρως το φάσμα του μονοηλεκτρονικού ατόμου Η και των υδρογονοειδών ιόντων (He + και Li 2+ ), παραταύτα δεν μπόρεσε να εμφαρμοστεί με επιτυχία σε πολυηλεκτρονικά άτομα.
Ασκήσεις 1) Το άτομο του υδρογόνου βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση. Πόση ενέργεια πρέπει να απορροφήσει ώστε να μεταβεί στην τροχιά που αντιστοιχεί σε κβαντικό αριθμό n = 3; 2) Να υπολογιστεί το μήκος κύματος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας κατά τη μετάπτωση του ηλεκτρονίου από την τροχιά με n = 4 στην τροχιά με n = 2 στο άτομο του υδρογόνου. Δίνονται: h = 6,63 10-34 J s, c = 3 10 8 m/s. 3) Πόση είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για τον ιοντισμό: α) του ατόμου του υδρογόνου, β) 1 mol ατόμων υδρογόνου.
Ασκήσεις 1) Ποιο είναι το νουκλιδικό σύμβολο για τον πυρήνα που περιέχει 34 πρωτόνια και 45 νετρόνια; 2) Έχετε τα δεδομένα του διπλανού πίνακα. i) Ποιο άτομο είναι ισότοπο του Α; ii) Ποιο άτομο έχει τον ίδιο μαζικό αριθμό με το Α; Στοιχείο p n A 18 19 B 16 19 Γ 18 18 Δ 17 20 3) Να κατατάξετε τα παρακάτω ισότοπα κατά σειρά (i) αυξανόμενου αριθμού ηλεκτρονίων, (b) αυξανόμενου αριθμού νετρονίων και (c) αυξανόμενης μάζας. 4) Δίνονται τα νουκλίδια: 136 54Xe, 133 55Cs, 56 112 50Sn, 22 10 Ne, 122 52Te, 59 29 Cu, 120 48Cd, 27 136 Ba 2+, 56 138 Ba, 139 56Ba, 57 138 La, 57 58 Co 139 La, 58 136 Ce 3+, 58 138 Ce 4 + Ποια από αυτά είναι ισότοπα; Ποια ισοβαρή; Από ποια στοιχειώδη σωματίδια αποτελείται το νουκλίδιο 136 56 Ba 2 + ;