Τα βιβλία των Εκδόσεων Πουκαμισάς συμπυκνώνουν την πολύχρονη διδακτική εμπειρία των συγγραφέων μας και αποτελούν το βασικό εκπαιδευτικό υλικό που χρησιμοποιούν οι μαθητές των φροντιστηρίων μας. Μέσα από τη διαρκή τους αξιοποίηση στις τάξεις μας διασφαλίζουμε τον εμπλουτισμό τους, τη συνεχή τους βελτίωση και την επιστημονική τους αρτιότητα, καθιστώντας τα βιβλία των Εκδόσεών μας εγγύηση για την επιτυχία των μαθητών. τα βιβλία των επιτυχιών
Δρ. Μαρίνος Ιωάννου Παναγιώτης Τσίπος Επιστημονική επιμέλεια: Γιώργος Καντώνης ΧΗΜΕΙΑ α τόμος Γ Λυκείου Θετικής κατεύθυνσης
Κάθε αντίτυπο φέρει την υπογραφή ενός εκ των συγγραφέων Σειρά: Γενικό Λύκειο Θετικές Επιστήμες Χημεία Γ Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης Μαρίνος Ιωάννου Παναγιώτης Τσίπος Εξώφυλλο: Γεωργία Λαμπροπούλου Στοιχειοθεσία Σελιδοποίηση: Δημήτρης Κάπος - Ελισάβετ Θεοδοσιάδη Υπεύθυνος Έκδοσης: Αποστόλης Αντωνόπουλος e-mail συγγραφέων: ioannoupir@gmail.com pantsipos@gmail.com Copyright 2013 : ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΠΟΥΚΑΜΙΣΑΣ, Μαρίνος Ιωάννου Παναγιώτης Τσίπος, για την ελληνική γλώσσα σε όλο τον κόσμο. Φωτογραφικό υλικό: http://commons.wikimedia.org ISBN: 978-960-6881-51-0 SET: 978-960-6881-50-3 Απαγορεύεται η με οποιονδήποτε τρόπο, μέσο και μέθοδο αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, μετάφραση, διασκευή, θέση σε κυκλοφορία, παρουσίαση, διανομή και η εν γένει πάσης φύσεως χρήση και εκμετάλλευση του παρόντος έργου στο σύνολό του ή τμηματικά καθώς και της ολικής αισθητικής εμφάνισης του βιβλίου (στοιχειοθεσίας, σελιδοποίησης κ.λπ.) και του εξωφύλλου του, σύμφωνα με τις διατάξεις της υπάρχουσας νομοθεσίας περί προστασίας πνευματικής ιδιοκτησίας και των συγγενικών δικαιωμάτων περιλαμβανομένων και των σχετικών διεθνών συμβάσεων. Σωτήρος και Αλκιβιάδου 132, Τ.Κ. 18535 Πειραιάς Τ. 210 4112507 F. 210 4116752 www.poukamisas.gr publications@poukamisas.gr
Πρόλογος Στον Λευτέρη που έφυγε και στον Λευτέρη που ήρθε... Μαρίνος Ιωάννου Στα παιδιά μου Μαρία και Τάσο Παναγιώτης Τσίπος Το βιβλίο που κρατάτε απευθύνεται στους µαθητές της Γ Λυκείου που ακολουθούν τη Θετική Κατεύθυνση. Κύριος στόχος της συγγραφικής μας ομάδας είναι να εξοικειωθούν οι µαθητές με τον κόσμο της Ανόργανης Αναλυτικής Χηµείας και, ταυτόχρονα, να αποκτήσουν όλες εκείνες τις γνώσεις που απαιτούνται, ώστε να επιτύχουν υψηλή βαθμολογία στο μάθημα της Χημείας στις Πανελλαδικές Εξετάσεις. Τα κεφάλαια του βιβλίου ακολουθούν την εξής διάρθρωση: >> Παρουσίαση της θεωρίας µε τη µορφή ερωτήσεων απαντήσεων. Με τον τρόπο αυτό ο µαθητής εστιάζει τη μελέτη του στα σηµαντικότερα σηµεία της κάθε παραγράφου, ενώ μπορεί να κάνει µία γρήγορη επανάληψη όποτε το θεωρεί σκόπιµο. >> Ερωτήσεις αξιολόγησης για την καλύτερη κατανόηση της ύλης και, πιο συγκεκριμένα, ερωτήσεις: ανάπτυξης πολλαπλής επιλογής του τύπου «Σωστό-Λάθος» συµπλήρωσης κενού αντιστοίχισης >> Ασκήσεις για λύση, με συνδυαστικά προβλήµατα που καλύπτουν την ύλη των ενοτήτων και διευρύνουν το πεδίο των εφαρµογών µας. >> Κριτήρια αξιολόγησης. Στο τέλος του βιβλίου περιλαμβάνονται οι απαντήσεις των ερωτήσεων αξιολόγησης και οι λύσεις των ασκήσεων. Ευχαριστούµε θερμά όλους όσοι μας στήριξαν και μας βοήθησαν να ολοκληρώσουμε το παρόν βιβλίο. Οι συγγραφείς
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ 1.1 Ατομικό πρότυπο του Bohr... 11 1.2 Ατομικά τροχιακά... 31 1.3 Αρχές ηλεκτρονιακής δόμησης... 61 1.4 Περιοδικός Πίνακας... 87 1.5 Ηλεκτρονιακοί τύποι κατά Lewis... 129 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΟΞΕΑ ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ 3.1 Υδατικά διαλύματα Εκφράσεις περιεκτικότητας... 191 3.2 Διάσταση ιοντισμός... 211 3.3 Βαθμός ιοντισμού Σταθερές ισορροπίας Κa / Kb ph/poh... 237 3.4 Διαλύματα ισχυρών ηλεκτρολυτών... 271 3.5 Διαλύματα ασθενών ηλεκτρολυτών... 297 3.6 Υδρόλυση αλάτων... 325 3.7 Επίδραση κοινού ιόντος... 347 3.8 Ρυθμιστικά διαλύματα... 405 3.9 Πρωτολυτικοί δείκτες ογκομέτρηση... 449 Πίνακας σχετικών ατομικών μαζών... 525 Περιοδικός πίνακας... 526 Βιβλιογραφία... 527
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑΚΗ ΔΟΜΗ ΤΩΝ ΑΤΟΜΩΝ ΚΑΙ ΠΕΡΙΟΔΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ
1.1 ΑΤΟΜΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ 1. Ποια είναι η εξέλιξη του ατομικού μοντέλου; Στη διάρκεια των τελευταίων 125 χρόνων η εικόνα που έχουμε για το άτομο έχει αλλάξει δραστικά. Από την απλή συμπαγή σφαίρα του Dalton, στο ατομικό πρότυπο της «σούπας» του Thomson, στη συνέχεια στο εύπεπτο ηλιακό πρότυπο του Rutherford και στην εξέλιξή του από τον Bohr και τέλος σε ένα σύνθετο μοντέλο στο οποίο κυριαρχούν η στατιστική και οι πιθανότητες (σχήμα 1). Dalton (1803) + + Thomson (1904) + + + Rutherford (1911) Bohr (1913) Schrödinger (1926) Σχήμα 1: Η εξέλιξη των ατομικών προτύπων. 2. Ποιες θεωρίες ερμηνεύουν τη φύση του φωτός; Υπάρχουν δύο θεωρίες που ερμηνεύουν τη φύση του φωτός: i. Η κυματική θεωρία του φωτός ii. Η κβαντική θεωρία του φωτός 3. Τι γνωρίζετε για την κυματική θεωρία του φωτός; Η κυματική θεωρία του φωτός ερμηνεύει ορισμένες από τις ιδιότητες της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όπως για παράδειγμα την ευθύγραμμη διάδοση και την ανάκλαση. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ως κύμα έχει δύο χαρακτηριστικά: i. Το μήκος κύματος λ ii. Τη συχνότητα f Τα δύο αυτά μεγέθη συνδέονται μεταξύ τους με τη θεμελιώδη σχέση της κυματικής: f = c λ ή c = f λ όπου c η ταχύτητα του φωτός στο κενό με τιμή 3 10 8 m / s περίπου. Σε ορισμένα βιβλία αντί για f χρησιμοποιείται το γράμμα v. Μονάδες της συχνότητας είναι τα Hz, ενώ του μήκους κύματος το m και υποπολλαπλάσιά του όπως το μm, nm, : 1 μm = 10 6 m 1 nm = 10 9 m 1 = 10 10 m 11
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Με βάση τα παραπάνω χαρακτηριστικά η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ταξινομείται σε διάφορες περιοχές. Για παράδειγμα στην περιοχή του ορατού οι ακτινοβολίες έχουν μήκη κύματος από 390 έως 760 nm. Max Planck (1858-1947). Γερμανός φυσικός. Θεωρείται ο «πατέρας» της κβαντικής θεωρίας. Η λέξη κβάντο προέρχεται από τη λατινική λέξη quantum που σημαίνει ποσότητα. Κατά την πρόσπτωση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην επιφάνεια ενός μετάλλου συχνότητας μεγαλύτερης ή ίσης μίας ορισμένης τιμής αποσπώνται ηλεκτρόνια. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φωτοηλεκτρικό. 12 Η κυματική θεωρία δεν μπορεί να εξηγήσει ορισμένα φαινόμενα επίδρασης του φωτός πάνω στην ύλη όπως για παράδειγμα το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. 4. Τι γνωρίζετε για την κβαντική θεωρία του φωτός; Το 1900 ο Γερμανός φυσικός Max Planck προκειμένου να ερμηνεύσει την ακτινοβολία που εκπέμπει ένα θερμό σώμα διατύπωσε την κβαντική θεωρία. Σύμφωνα με τις αντιλήψεις του Planck η ακτινοβολία εκπέμπεται και απορροφάται όχι με συνεχή τρόπο αλλά σε μικρά πακέτα ενέργειας που ονομάζονται κβάντα. Τα κβάντα φωτός ή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ονομάζονται φωτόνια. Κάθε κβάντο μεταφέρει ενέργεια Ε που δίνεται από τον τύπο: E = h f Όπου: Ε: η ενέργεια του κβάντου σε J h: η σταθερά του Planck, που είναι ίση με 6,63 10 34 J s f: η συχνότητα της ακτινοβολίας σε s 1 ή Hz Σύμφωνα με τη θεωρία του Planck η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αποτελείται από ένα πολύ μεγάλο αριθμό φωτονίων. Καθένα από αυτά έχει ενέργεια Ε = hf με αποτέλεσμα η ενέργεια μίας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας να παίρνει ορισμένες μόνο τιμές που είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της στοιχειώδους ποσότητας hf δηλαδή είναι κβαντισμένο μέγεθος. Κβαντισμένο μέγεθος είναι το μέγεθος που παίρνει ορισμένες μόνο τιμές όπως για παράδειγμα το ηλεκτρικό φορτίο που παίρνει ορισμένες μόνο τιμές που είναι ακέραια πολλαπλάσια του φορτίου του ηλεκτρονίου (qe = 1,6 10 19 C). Σύμφωνα με τα παραπάνω η ενέργεια μίας ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που αποτελείται από Ν φωτόνια καθένα από τα οποία έχει ενέργεια hf είναι: Ε ακτινοβολίας = Ν hf Τη θεωρία του Planck την εφάρμοσε το 1905 ο Einstein στην ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.
5. Τι ξέρετε για το ατομικό πρότυπο του Βohr; 1.1 ΑΤΟΜΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ Το 1913 ο Niels Bohr συνδυάζοντας το ατομικό πρότυπο του Rutherford και την κβαντική θεωρία του Planck πρότεινε ένα νέο ατομικό πρότυπο που εφαρμόζεται για το άτομο του υδρογόνου και τα υδρογονοειδή ιόντα όπως για παράδειγμα τα 2 He +, 3Li +2. Το ατομικό πρότυπο του Bohr περιγράφεται με δύο συνθήκες οι οποίες είναι οι εξής: 1η συνθήκη (μηχανική συνθήκη) Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε ορισμένες κυκλικές τροχιές. Κάθε επιτρεπόμενη τροχιά έχει καθορισμένη ενέργεια είναι δηλαδή κβαντισμένη. 2η συνθήκη (οπτική συνθήκη) Το ηλεκτρόνιο εκπέμπει ή απορροφά ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας μόνο όταν μεταπηδά από μία τροχιά σε μία άλλη, όταν δηλαδή αλλάζει ενεργειακή στάθμη (σχήμα 2): εκπομπή φωτονίου απορρόφηση φωτονίου Niels Bohr (1885-1962). Δανός φυσικός διευθυντής του Ινστιτούτου θεωρητικής φυσικής στην Κοπεγχάγη και ο άνθρωπος-κλειδί στην ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας. Σχήμα 2: Το ηλεκτρόνιο εκπέμπει ή απορροφά ενέργεια υπό μορφή ακτινοβολίας, όταν αλλάζει ενεργειακή στάθμη. 6. Από ποιον τύπο δίνεται η ενέργεια του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου; Ποια τα συμπεράσματα που πηγάζουν από τον τύπο αυτό; Η ενέργεια του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου δίνεται από τον τύπο: 2,18 10 18 E = Όπου: n: ο κύριος κβαντικός αριθμός, ο οποίος παίρνει θετικές ακέραιες τιμές 1, 2, 3, και ο οποίος καθορίζει την ενεργειακή στάθμη του ηλεκτρονίου και δείχνει τη στιβάδα στην οποία κινείται το ηλεκτρόνιο. Τα συμπεράσματα που πηγάζουν από τον τύπο αυτό είναι τα εξής: n 2 Υδρογονοειδή ιόντα είναι τα ιόντα που έχουν μόνο ένα ηλεκτρόνιο όπως το υδρογόνο. n = 1: ΣΤΙΒΑΔΑ Κ n = 2: ΣΤΙΒΑΔΑ L n = 3: ΣΤΙΒΑΔΑ M n = 4: ΣΤΙΒΑΔΑ N 13
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 i. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι αρνητική, δηλαδή για να απομακρυνθεί το ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα απαιτείται η προσφορά ενέργειας. Η 1η διηγερμένη κατάσταση είναι όταν n = 2. Η 2η όταν n = 3 κ.ο.κ. Η σειρά των χρωμάτων, από τα 400 nm προς τα 700, στην ορατή ακτινοβολία είναι: Violet Indigo Blue Green Yellow Orange Red Μία ακτινοβολία ονομάζεται σύνθετη όταν αποτελείται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα με διαφορετικά μήκη κύματος. Χαρακτηριστικό παράδειγμα σύνθετης ακτινοβολίας είναι το λευκό φως που αποτελείται από όλα τα μήκη κύματος που αντιστοιχούν στην ορατή ακτινοβολία. ii. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι κβαντισμένη, δηλαδή παίρνει ορισμένες μόνο τιμές. iii. Η τιμή της ενέργειας εξαρτάται από το n δηλαδή όσο το ηλεκτρόνιο απομακρύνεται από τον πυρήνα τόσο μεγαλώνει η ενέργειά του (μεγαλώνει το n). iv. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι ελάχιστη όταν n = 1 δηλαδή στη θεμελιώδη κατάσταση. Όταν n 1 το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση. Υπάρχει μία θεμελιώδης κατάσταση και άπειρες διεγερμένες. Μία διεγερμένη κατάσταση είναι ασταθής. Η παραμονή του ηλεκτρονίου σε αυτή διαρκεί για πολύ μικρό χρονικό διάστημα (10 10 έως 10 8 s). Στη συνέχεια επανέρχεται στη θεμελιώδη είτε απευθείας με ένα «άλμα» είτε με περισσότερα διαδοχικά «άλματα». Κάθε άλμα συνοδεύεται με εκπομπή ηλεκρομαγνητικής ακτινοβολίας ορισμένης συχνότητας (φωτόνιο). v. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι μέγιστη (Ε = 0) όταν το n τείνει στο άπειρο. Όταν η έλξη του πυρήνα μηδενιστεί, λέμε ότι έχει επέλθει ιοντισμός. vi. Υπάρχει μεγάλη ενεργειακή διαφορά κατά τις μεταπτώσεις από n = 1 σε n = 2 και από n = 2 σε n = 3. Στη συνέχεια οι ενεργειακές στάθμες πλησιάζουν κοντά η μία την άλλη, δηλαδή η διαφορά ενέργειας μεταξύ δύο διαδοχικών ενεργειακών σταθμών δεν είναι σταθερή αλλά ελαττώνεται με την αύξηση του n (σχήμα 3): Σχήμα 3: Ενεργειακά επίπεδα για το άτομο του υδρογόνου. 14 vii. Κατά τη μετάβαση από μία αρχική ενεργειακή στάθμη E i (i: initial) σε μία τελική ενεργειακή στάθμη E f (f: final) απορροφάται ή εκπέμπεται ακτινοβολία συχνότητας f ή μήκους κύματος λ που δίνεται από τον τύπο: ΔE = Ε f E i = hf = hc λ (1)
1.1 ΑΤΟΜΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ Κατά τη μετάβαση του ηλεκτρονίου από ενεργειακή στάθμη μικρότερης ενέργειας σε ενεργειακή στάθμη μεγαλύτερης ενέργειας ο τύπος γίνεται ως εξής: ΔE = Ε f E i = hf = hc λ (2) ενώ κατά τη μετάβαση του ηλεκτρονίου από ενεργειακή στάθμη μεγαλύτερης ενέργειας σε ενεργειακή στάθμη μικρότερης ενέργειας ο τύπος γίνεται ως εξής: ΔE = Ε i E f = hf = hc λ (3) Επειδή η ενέργεια του ηλεκτρόνιου είναι κβαντισμένη, οι διαφορές ενέργειας ΔΕ έχουν ορισμένες μόνο τιμές. Έτσι το άτομο του υδρογόνου μπορεί να απορροφήσει ορισμένες μόνο ακτινοβολίες (φωτόνια) και παρόμοια να εκπέμπει ακτινοβολίες που αντιστοιχούν σε ορισμένα μήκη κύματος. Για αυτό τον λόγο το φάσμα εκπομπής του υδρογόνου είναι γραμμικό. Οι φασματικές γραμμές στο φάσμα εκπομπής του υδρογόνου εμφανίζονται στην ορατή περιοχή (σειρά Balmer, n > 2 σε n = 2), στην υπεριώδη (σειρά Lyman, n > 1 σε n = 1) και στην υπέρυθρη περιοχή. 7. Τι ονομάζουμε συνεχές και τι γραμμικό φάσμα εκπομπής; Φάσμα εκπομπής είναι το φάσμα της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από μία φωτεινή πηγή. Συνεχές είναι το φάσμα που περιέχει όλα τα μήκη κύματος του ορατού φωτός. Όταν μία δέσμη λευκού φωτός, που όπως γνωρίζουμε περιέχει όλα τα μήκη κύματος της ορατής περιοχής, προσπέσει πάνω σε ένα πρίσμα, θα αναλυθεί σε πολλές δέσμες, οι οποίες αποτυπώνονται σε φωτογραφικό φιλμ με αποτέλεσμα να δημιουργείται μια συνεχής έγχρωμη ταινία η οποία ονομάζεται συνεχές φάσμα του λευκού φωτός (σχήμα 4). Ιώδες Κόκκινο Ένας εύκολος τρόπος για να καταλήξουμε από τη σχέση 1 στις σχέσεις 2 και 3 είναι να απομακρύνουμε το απόλυτο έχοντας στον νου ότι η μεγαλύτερη ενέργεια, δηλαδή αυτή που είναι πιο «ψηλά», βγαίνει πρώτη. Μία ακτινοβολία ονομάζεται μονοχρωματική όταν αποτελείται από ηλεκτρομαγνητικά κύματα του ίδιου περίπου μήκους κύματος Όταν το μήκος κύματος μίας ακτινοβολίας είναι από 400 nm έως περίπου 750 nm, η ακτινοβολία αυτή γίνεται αντιληπτή από το ανθρώπινο μάτι και ονομάζεται ορατή ακτινοβολία. Οθόνη Πηγή λευκού φωτός Σχισμές Πρίσμα Σχήμα 4: Συνεχές φάσμα εκπομπής λευκού φωτός 15
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Γραμμικό φάσμα είναι το φάσμα το οποίο περιέχει ορισμένα μόνο μήκη κύματος. Αν εφαρμόσουμε ηλεκτρική τάση σε έναν σωλήνα που περιέχει αέριο υδρογόνο, σε χαμηλή πίεση, διαπιστώνουμε ότι το αέριο εκπέμπει φως το οποίο αν αναλυθεί σε πρίσμα σχηματίζει στο φωτογραφικό φιλμ μία σειρά από γραμμές. Το γραμμικό φάσμα εκπομπής του υδρογόνου περιέχει ένα συγκεκριμένο αριθμό έγχρωμων γραμμών. Κάθε γραμμή αντιστοιχεί σε ένα ορισμένο μήκος κύματος (σχήμα 5): Ιώδες Κόκκινο Οθόνη Σωλήνας εκκένωσης που περιέχει αέριο υδρογόνου Σχισμές Πρίσμα Σχήμα 5: Γραμμικό φάσμα εκπομπής του υδρογόνου Το γραμμικό φάσμα εκπομπής ενός στοιχείου είναι χαρακτηριστικό για το κάθε στοιχείο. Αποτελεί το δακτυλικό αποτύπωμα του στοιχείου και χρησιμοποιείται ευρέως στη στοιχειακή ανάλυση. Bohr: Βραβείο Nobel Χημείας το 1912. 8. Για ποιον λόγο εγκαταλείφθηκε το ατομικό πρότυπο του Bohr; Ο Bohr πήρε το βραβείο Nobel, γιατί κατάφερε να αντιστοιχίσει κάθε γραμμή που παρατηρείται στο γραμμικό φάσμα εκπομπής του ατόμου του Η ως μετάπτωση του ηλεκτρονίου από μία ενεργειακή στάθμη σε μία άλλη με δεδομένο ότι η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι κβαντισμένη, άρα το άτομο του υδρογόνου απορροφά και εκπέμπει φωτόνια που έχουν ορισμένες συχνότητες (σχήμα 6):, 16 Σχήμα 6: Ο Bohr αντιστοίχισε κάθε γραμμή που παρατηρείται στο γραμμικό φάσμα εκπομπής του ατόμου του Η ως μετάπτωση του ηλεκτρονίου από μία ενεργειακή στάθμη σε μία άλλη.